Новая конструкция многомодового соединителя способствует развитию масштабируемых квантовых вычислений

Реализация отказоустойчивого квантового процессора требует объединения кубитов для создания запутанности. Сверхпроводящие кубиты — многообещающая платформа для квантовой обработки информации, но масштабирование крупномасштабного квантового компьютера требует соединения множества кубитов с низким уровнем ошибок. Традиционные методы часто ограничивают соединение с ближайшими соседями, требуют больших физических размеров и требуют использования большого количества соединителей, что усложняет производство.

Например, для соединения 100 кубитов в пары требуется большое количество соединителей. Кроме того, управление отдельными элементами схемы и соединителями с помощью отдельных кабелей, даже для 1000 кубитов, потребует слишком большого объема кабелей, что сделает невозможным интеграцию такой системы в крупную лабораторию, не говоря уже об управлении миллионами кубитов. Это подчеркивает необходимость в более эффективных и масштабируемых методах связи.

Команда физиков-теоретиков под руководством Мохда Ансари из FZJ в сотрудничестве с экспериментальной группой Бриттона Плурда из Сиракузского университета представила новый подход с использованием многомодового соединителя, который позволяет регулировать силу связи между любой парой кубитов.

Опубликовано В Квантовый PRXВ этом исследовании используется общий соединитель в форме кольца, изготовленный из линии передачи метаматериала. Эта конструкция создает плотный частотный спектр резонансов стоячей волны вблизи диапазона частот перехода кубитов. Левый кольцевой резонатор, состоящий из 24 индуктивно заземленных и емкостно-связанных ячеек, демонстрирует плотный набор мод выше минимальной частоты среза, причем частоты мод еще больше расходятся на более высоких частотах.

Эта уникальная конструкция, в которой частота стоячих волн линейно пропорциональна их длине, контрастирует с обычными стоячими волнами. Например, удвоение частоты удваивает длину волны, в отличие от обычных систем, в которых удвоение частоты уменьшает длину волны вдвое. Представьте себе музыкальный инструмент, в котором более высокие частоты соответствуют более длинным волнам: эта концепция бросает вызов традиционным ожиданиям.

Два сверхпроводящих кубита, помещенные в позиции «3» и «6 часов» кольцевого резонатора, взаимодействуют со стоячими волнами, при этом сила взаимодействия зависит от амплитуды стоячих волн в местах их расположения. Соединение нескольких кубитов с общей резонансной модой вызывает поперечные обменные взаимодействия, причем связь зависит от расстройки каждого кубита с различными модами. Эти взаимодействия могут быть положительными или отрицательными. Кроме того, взаимодействия между высшими возбужденными состояниями каждого кубита и модами связи приводят к ZZ-взаимодействиям более высокого порядка, которые также меняются в зависимости от расстройки кубита и могут менять знак.

Эта изменчивость обменов и взаимодействий ZZ хорошо согласуется с теоретическими моделями, позволяя настраивать масштабы энергии запутывания от больших значений до нуля. Возможность расширения этой системы до более чем двух кубитов по кольцу делает ее многообещающей платформой для управления запутанностью в больших сетях кубитов.