Тумблер снижает шум в квантовых компьютерах

Устройство, снижающее шум квантовых компьютеров, представила группа учёных Национального института стандартов и технологий США (NIST).

Устройство «тумблер» соединяет два сверхпроводящих кубита со схемой, называемой «резонатором считывания», которая может считывать выходные данные вычислений кубитов.

Этот тумблер можно переводить в разные состояния, чтобы регулировать силу соединений между кубитами и резонатором считывания.

При выключении все три элемента изолированы друг от друга.

Когда переключатель включен для соединения двух кубитов, они могут взаимодействовать и выполнять вычисления.

После завершения вычислений тумблер может соединить любой из кубитов и резонатор считывания для получения результатов.

Наличие программируемого тумблера во многом способствует снижению шума — распространенной проблемы в схемах квантовых компьютеров, из-за которой кубитам трудно выполнять вычисления и четко отображать свои результаты.

На фото изображена центральная рабочая область устройства. В нижней части три больших прямоугольника (голубого цвета) представляют собой два квантовых бита или кубита справа и слева, а также резонатор в центре. В верхней, увеличенной части, прохождение микроволн через антенну (большой темно-синий прямоугольник внизу) индуцирует магнитное поле в петле СКВИДа (меньший белый квадрат в центре, длина сторон которого составляет около 20 микрометров). Магнитное поле активирует тумблер. Частота и величина микроволн определяют положение переключателя и силу связи между кубитами и резонатором. Фото: К. Чичак и Р. Симмонд.

«Цель состоит в том, чтобы кубиты были счастливы, чтобы они могли выполнять вычисления, не отвлекаясь, и в то же время иметь возможность считывать их, когда мы захотим», — сказал Рэй Симмондс, физик NIST и один из авторов статьи. «Эта архитектура устройства помогает защитить кубиты и обещает улучшить нашу способность проводить высокоточные измерения, необходимые для создания квантовых информационных процессоров из кубитов».

В команду также входят ученые из Массачусетского университета Лоуэлла, Университета Колорадо в Боулдере и Raytheon BBN Technologies.

Одна из проблем, с которой сталкиваются разработчики квантовых компьютеров, заключается в том, что квантовые схемы подвержены воздействию внешнего или даже внутреннего шума, который возникает из-за дефектов материалов, используемых для изготовления компьютеров.

По сути, этот шум представляет собой случайное поведение, которое может привести к ошибкам в вычислениях кубитов.

Современные кубиты сами по себе шумны, но это не единственная проблема. Многие конструкции квантовых компьютеров имеют так называемую статическую архитектуру, где каждый кубит процессора физически связан со своими соседями и резонатором считывания.

Изготовленная проводка, соединяющая кубиты вместе и их показания, может подвергнуть их еще большему шуму.

У таких статических архитектур есть еще один недостаток: их нелегко перепрограммировать. Кубиты статической архитектуры могут выполнять несколько связанных между собой задач, но для того, чтобы компьютер мог выполнять более широкий круг задач, ему потребуется заменить процессор другой конструкции с другой организацией или расположением кубитов.

(Представьте, что чип в вашем ноутбуке меняется каждый раз, когда вам нужно использовать другое программное обеспечение, а затем подумайте, что чип должен поддерживаться чуть выше абсолютного нуля, и вы поймете, почему это может оказаться неудобным.)

Программируемый тумблер команды позволяет избежать обеих этих проблем. Во-первых, он предотвращает проникновение шума схемы в систему через резонатор считывания и предотвращает общение кубитов друг с другом, когда они должны быть тихими.

«Это сокращает ключевой источник шума в квантовом компьютере», — сказал Симмондс.

Во-вторых, размыкание и закрытие переключателей между элементами контролируются с помощью серии микроволновых импульсов, посылаемых на расстоянии, а не через физические соединения статической архитектуры. Интеграция большего количества этих тумблеров может стать основой более легко программируемого квантового компьютера.