Polku kohti suurempia kvanttiprosessoreita

Piitekniikalla tuotetut spinkubitit ovat lupaava alusta skaalautuvien kvanttitietokoneiden rakentamiseen, koska ne ovat yhteensopivia nykyisten tietokonesirujen valmistuksessa käytettyjen puolijohdevalmistustekniikoiden kanssa.

Niillä on kuitenkin merkittävä heikkous: piin spinkubitit menettävät tyypillisesti tarkkuuttaan, kun useita kubitteja ohjataan rinnakkain. Ollakseen hyödyllisiä kvanttitietokoneiden on käytettävä useita kubitteja samanaikaisesti vaarantamatta toimintansa tarkkuutta.

Tutkimustyössään RIKEN Center for Emergent Matter Sciencen tutkijat ja yhteistyökumppanit ovat ratkaisseet tämän haasteen saavuttamalla useiden rinnakkain toimivien piin spinkubittien tarkan ohjauksen.

Käyttämällä viiden kubitin piimatriisia, jota ohjataan yhden jaetun mikroaaltolinjan kautta, he tunnistivat keskeisen virhelähteen kubittien samanaikaisen toiminnan aikana ja kehittivät tavan lieventää sen vaikutuksia.

RIKENin tutkijan ja kokeita valvoneen tutkimuksen ensimmäisen kirjoittajan Leon Camenzindin mukaan "tämä osoittaa, että tarkka ohjaus voidaan säilyttää, vaikka useita kubitteja toimisi samanaikaisesti, ja se on tärkeä askel kohti piipohjaisten kvanttiprosessorien skaalaamista."

Piin spin-kubiteissa informaatio koodataan piialustalle loukkuun jääneen elektronin spiniin. Niiden tarkka ohjaaminen on välttämätöntä kvanttioperaatioiden suorittamiseksi. Mikroaaltoisen ohjaussignaalien kohdistaminen useisiin kubitteihin samanaikaisesti voi kuitenkin aiheuttaa virheitä, jotka heikentävät laskennan tarkkuutta.

Tutkijat aloittivat työnsä havaitessaan, että tämän hajoamisen pääasiallinen lähde on ilmiö, joka tunnetaan nimellä AC Stark -siirtymä, jonka mikroaaltojen ohjaussignaalit indusoivat. Tämä ilmiö muuttaa kubitin efektiivisiä energiatasoja, siirtäen sen kvanttitilan vaihetta ja tehden sen toiminnasta epätarkempaa. Kun useita kubitteja ohjataan samanaikaisesti, nämä siirtymät voivat häiritä kunkin kubitin tarkoitettua ohjausta.

Ongelman ratkaisemiseksi tiimi kehitti skaalautuvan lieventämisprotokollan, joka perustuu vaihekalibrointeihin. ”Sen sijaan, että vaadittaisiin täysin erillinen kalibrointimenettely jokaiselle mahdolliselle kubittiyhdistelmälle, menetelmämme käyttää kubittiparien välisiä kalibrointeja kompensoidakseen ei-toivotut vaihesiirrot”, selittää Yi-Hsien Wu, ensimmäinen kirjoittaja, joka suoritti kokeet osana tohtoritutkimustaan.

Optimoidun laitesuunnittelun ja huolellisesti kalibroitujen mikroaaltoisten säätöpulssien avulla tiimi saavutti yksittäisten kubittien porttitarkkuuden, joka oli selvästi yli 99,99 % jokaisella viidellä kubitilla erikseen käytettynä, parhaan lähestyessä 99,999 %:a. Tarkkuus mittaa kvanttioperaation tarkkuutta.

Tärkeää on, että protokollan avulla he pystyivät saavuttamaan yli 99,99 %:n tarkkuuden, kun jopa kolmea kubittia käytettiin samanaikaisesti. Kaikkien viiden kubitin rinnakkaiskäytön aikana tarkkuus pysyi noin 99,9 %:ssa, mikä sekin on lähellä vikasietoisen kvanttilaskennan käytännön vaatimuksia.

Jäljelle jäävä heikkeneminen johtui samanaikaisen toiminnan vaatimasta dekoherenssista, jonka aiheutti lisääntyneestä mikroaaltotehon käytöstä. Toisin kuin uuden kalibrointiprotokollan käsittelemät vaihesiirrot, tämä ilmiö aiheuttaa kvanttikoherenssin menetyksen. Camenzindin mukaan "tämä on rajoitus, mutta laitesuunnittelun lisäparannukset voisivat auttaa lieventämään tätä virhelähdettä."

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat tunnistavat spin-kubittisten kvanttiprosessorien kohinan alkuperän

Piistä tunnistettu uusi vankka televiestintäkubitti

Jyväskylän yliopisto vetämään piikubittien hanketta