Tecnologia Científica

Alta coerência e baixo cross-talk em uma arquitetura qubit supercondutora
Peter A. Spring e uma equipe de cientistas descreveram a coerência de qubits e erros de baixa comunicação cruzada e de porta de qubit único na arquitetura de qubit supercondutora, adequada para bidimensional ( 2D) reticulados de qubits .
Por Thamarasee Jeewandara - 29/04/2022


Imagens ópticas do invólucro e do circuito da cavidade. (A) Base do gabinete com cavidade, pilar central e quatro orifícios de passagem cônicos para acesso à fiação fora do plano. (B) Tampa do gabinete com recesso cilíndrico central e orifícios de passagem idênticos para fiação fora do plano. (C) Rebaixo cilíndrico na tampa preenchido com uma bola de índio. (D) (Escala de cinza) Circuito de quatro qubits montado dentro da base do gabinete. Os quatro qubits são visíveis, dispostos em uma rede quadrada com espaçamento de 2 mm. (E) Um ressonador espiral e (F) um qubit transmon com dimensões de eletrodo idênticas às do dispositivo. Crédito: Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl6698

Em um novo relatório agora publicado na Science Advances , Peter A. Spring e uma equipe de cientistas em física da Universidade de Oxford descreveram a coerência de qubits e erros de baixa comunicação cruzada e de porta de qubit único na arquitetura de qubit supercondutora, adequada para bidimensional ( 2D) reticulados de qubits . A configuração experimental envolveu um gabinete de cavidade indutivamente desviado com fiação de controle não galvânica, fora do plano, qubits e ressonadores fabricados em lados opostos de um substrato. Os cientistas desenvolveram um dispositivo de prova de conceito com quatro qubits transmon desacoplados, ou seja, um qubit carregado supercondutor com sensibilidade reduzida ao ruído de carga, para exibir recursos específicos medidos por meio de benchmarking aleatório simultâneo. A natureza tridimensional integrada da fiação de controle permitiu que o qubit permanecesse endereçável à medida que a arquitetura formava redes de qubit maiores.

arquiteto quântico

Os esforços para construir treliças tridimensionais (3D) com uma infinidade de qubits altamente coerentes são um desafio de hardware excepcional . Os pesquisadores já desenvolveram circuitos supercondutores como uma plataforma promissora para realizar essas redes e formar um conjunto de portas universais. Normalmente, dois conjuntos de requisitos devem ser atendidos para dimensionar essas redes supercondutoras, incluindo um método para rotear a fiação de controle para o circuito, permitindo que todos os qubits permaneçam endereçáveis ​​e mensuráveis, evitando que modos espúrios de baixa frequência surjam dentro do circuito com dimensões crescentes. O processo de dimensionamento também deve evitar canais de decoerência para qubits e ser compatível com fidelidades de porta além do limite dos códigos de correção de erros quânticos. Os físicos já haviam superado os limites de fiação de circuitos conectados por borda por meio de fiação de controle integrado 3D como uma solução prática. Alternativamente, os circuitos podem ser fechados em cavidades indutivamente desviadas em duas dimensões com uma frequência de corte para modos de cavidade. Spring et al apresentaram resultados experimentais relativos ao último conceito em um circuito de prova de princípio de quatro qubits, onde a arquitetura do circuito apresentava fiação de controle 3D integrada fora do plano, qubits e ressonadores de leitura fabricados em lados opostos de um substrato. A equipe também incluiu um novo recurso importante para compatibilidade com tempos de coerência transmon, excedendo 100 µs, baixa diafonia e erros de porta de qubit único.

Arquitetura de dispositivos e caracterização de cross-talk

Os pesquisadores obtiveram imagens do gabinete e do circuito da cavidade, onde a base do gabinete mantinha um único "pilar" central e uma tampa contendo um recesso cilíndrico correspondente preenchido com uma bola de índio. Eles organizaram os quatro qubits transmon coaxiais em uma treliça 2 x 2 com espaçamento de 2 mm e, em seguida, implementaram um projeto de fiação fora do plano com projeto de derivação indutiva e um layout de circuito, onde cada ressonador foi alinhado coaxialmente e acoplado capacitivamente. para um qubit. A configuração permitiu que os eletrodos qubit fossem "eletricamente flutuantes". A equipe obteve os parâmetros básicos do circuito e caracterizou o cross-talk do dispositivo, onde o dispositivo era uma demonstração de prova de princípio da arquitetura do circuito sem acoplamentos intencionais, exceto entre pares qubit-ressonator. Como resultado, Spring et al identificaram todos os outros acoplamentos como cross-talk indesejado. A equipe então definiu os termos de cross-talk e resumiu os acoplamentos transversais parasitas experimentais e simulados no dispositivo, seguidos por medições experimentais deseletividade da linha de controle do qubit e seletividade da linha de controle do ressonador. Eles também mediram o acoplamento parasita qubit-ressonator para entender a mudança dispersiva parasita entre qubit e ressonador. Seguido por benchmarking aleatório de qubit único realizado em todos os quatro qubits separadamente e simultaneamente. A equipe realizou cada um dos experimentos 31 x 80, 5.000 vezes para construir estatísticas e apresentou os portões de erro por físicos resultantes, e também realizou benchmarking aleatório correlacionado com base em dados experimentais simultâneos. Para simulações de estrutura de banda, Spring et al analisaram o simulador de estrutura de alta frequência modelo de célula unitária que continha dimensões ideais da região central de 2 mm x 2 mm, do dispositivo. Eles então mapearam a estrutura da banda durante as simulações enquanto coletavam detalhes sobre a frequência de corte analítica, curvatura da banda e pele do plasma e previsões de profundidade dentro da configuração.
 
Desta forma, Peter A. Spring e colegas analisaram tempos médios de coerência de qubit e fidelidades simultâneas de porta de um único qubit em uma demonstração de quatro qubits de uma arquitetura de circuito supercondutor 3D. Antes da inclusão do circuito de acoplamento qubit, a equipe suprimiu altamente o crosstalk residual da configuração. O dispositivo otimizado previsto é aplicável para estudar erros correlacionados gerados a partir de radiação de alta energia em redes de qubits com alta coerência e cross-talk exponencialmente suprimido. A arquitetura atual continha um compartimento de cavidade desviado indutivamente ao redor do circuito, combinado com fiação de controle integrada 3D fora do plano e ressonadores de leitura do lado reverso. Os resultados destacaram a baixa conversa cruzada da configuração experimental. A embalagem do invólucro é reutilizável remodelando a esfera de índio no recesso da tampa; no entanto, o circuito não foi colado ao gabinete e, portanto, não pôde ser removido e remontado. Os cientistas destacaram várias deficiências do dispositivo apresentado, incluindo as pequenas e variáveis ​​​​taxas de decaimento do ressonador externo e mudanças dispersivas que não eram ideais para leituras de qubit . Primavera et ai. creditou a maior coerência na configuração ao processo de fabricação, que diferia das implementações anteriores da arquitetura.

 

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