Inna architektura kubitów mogłaby umożliwić łatwiejszą produkcję elementów składowych komputerów kwantowych bez pogarszania wydajności.
Naukowcy z Brookhaven National Laboratory rewolucjonizują obliczenia kwantowe poprzez opracowanie nowej architektury kubitowej, bardziej odpowiedniej do masowej produkcji. W tym nowatorskim projekcie zastosowano złącza zwężające, które są kompatybilne z istniejącymi procesami produkcji półprzewodników, co potencjalnie ułatwia produkcję komputerów kwantowych.
Przełom w obliczeniach kwantowych
Naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) wykazali, że rodzaj kubitu, którego architektura jest bardziej podatna na masową produkcję, może działać porównywalnie z kubitami dominującymi obecnie w tej dziedzinie. Dzięki serii analiz matematycznych naukowcy stworzyli plan prostszej produkcji kubitów, który umożliwi solidną i niezawodną produkcję elementów składowych komputerów kwantowych.
Badania te przeprowadzono w ramach Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), Krajowe Centrum Badań nad Informacją Kwantową DOE, kierowane przez Brookhaven Lab, i opiera się na latach współpracy naukowej skupionej na poprawie wydajności kubitów w skalowalnych komputerach kwantowych. Ostatnio naukowcy pracowali nad zwiększeniem czasu, przez jaki kubity przechowują informację kwantową. Jest to właściwość zwana koherencją, która jest ściśle powiązana z jakością połączenia kubitu.
Innowacyjny projekt Qubitu
Szczególną uwagę skupiono na kubitach nadprzewodzących, których architektura obejmuje dwie warstwy nadprzewodzące oddzielone izolatorem. Ta część kubitu nazywana jest złączem SIS, czyli nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik. Jednak niezawodne wytwarzanie takich złączy typu „kanapka” nie jest łatwe, zwłaszcza przy precyzji potrzebnej do produkcji komputerów kwantowych na dużą skalę.
„Tworzenie połączeń SIS to prawdziwa sztuka” – powiedział Charles Black, współautor artykułu opublikowanego niedawno w czasopiśmie Przegląd fizyczny A i dyrektor Centrum Nanomateriałów Funkcjonalnych (CFN), placówki użytkownika DOE Office of Science w Brookhaven Lab.
Black i Mingzhao Liu, starszy naukowiec w CFN i główny autor artykułu, byli częścią projektu C2Zapewnienie jakości od jej powstania w 2020 r. I chociaż pomagali naukowcom kwantowym w zrozumieniu materiałoznawstwa kubitów w celu poprawy ich spójności, zaciekawiła ich także skalowalność sztuki budowania kubitów i jej zgodność z nieuniknioną potrzebą produkcji wielkoskalowych komputerów kwantowych.
Przejście do skrzyżowań zwężających się
Dlatego naukowcy zwrócili uwagę na architekturę kubitów ze złączami nadprzewodzącymi składającymi się z dwóch warstw połączonych cienkim drutem nadprzewodzącym zamiast środkowej warstwy izolacyjnej. Architektura ta, znana jako skrzyżowanie zwężające się, leży płasko, a nie układa się jak kanapka. Co ważne, proces wytwarzania złączy przewężających jest zgodny ze standardowymi metodami stosowanymi w zakładach produkujących półprzewodniki.
„W naszej pracy badaliśmy wpływ tej zmiany architektonicznej” – powiedział Black. „Naszym celem było zrozumienie kompromisów w zakresie wydajności wynikających z przejścia na skrzyżowania z przewężeniami”.
Nowe podejście do przepływu prądu w kubitach
Najbardziej rozpowszechniona nadprzewodząca architektura kubitów działa najlepiej, gdy złącze łączące dwa nadprzewodniki przepuszcza tylko niewielką część prądu. Chociaż izolator w warstwie SIS zapobiega niemal całemu przesyłaniu prądu, jest na tyle cienki, że pozwala na przepuszczenie niewielkiej jego ilości poprzez mechanizm znany jako tunelowanie kwantowe.
„Architektura SIS jest idealna dla współczesnych kubitów nadprzewodzących, mimo że jej wyprodukowanie jest trudne” – powiedział Black. „Ale zastąpienie SIS zwężeniem, które samo w sobie przewodzi duży prąd, jest trochę sprzeczne z intuicją”.
Dzięki swojej analizie naukowcy wykazali, że możliwe jest zmniejszenie prądu przepływającego przez złącze zwężające do poziomu odpowiedniego dla kubitu nadprzewodzącego. Metoda ta wymaga jednak mniej tradycyjnych metali nadprzewodzących.
„Drut zwężający musiałby być niepraktycznie cienki, gdybyśmy użyli aluminium, tantalu lub niobu” – wyjaśnił Liu. „Inne nadprzewodniki, które nie przewodzą tak dobrze, umożliwiłyby nam wytworzenie złącza zwężającego o praktycznych wymiarach”.
Rozwiązanie problemu nieliniowości Qubitu
Jednakże złącza zwężające zachowują się inaczej niż ich odpowiedniki w systemie SIS. Dlatego naukowcy zbadali także konsekwencje wprowadzenia tej zmiany architektonicznej.
Aby kubity nadprzewodzące działały, wymagają pewnej nieliniowości, co ogranicza działanie kubitu tylko na dwóch poziomach energii. Nadprzewodniki w naturalny sposób nie wykazują zachowania nieliniowego — tę kluczową właściwość wprowadza złącze kubitu.
Nadprzewodzące złącza zwężające są z natury bardziej liniowe niż wypróbowane złącza SIS, co oznacza, że są mniej idealne dla architektur kubitowych. Naukowcy odkryli jednak, że nieliniowość złącza zwężającego można dostroić poprzez dobór materiału nadprzewodzącego oraz odpowiednie zaprojektowanie rozmiaru i kształtu złącza.
„Jesteśmy podekscytowani tą pracą, ponieważ wskazuje ona naukowcom zajmującym się materiałami konkretne cele w oparciu o wymagania urządzenia” – wyjaśnił Liu. Naukowcy ustalili na przykład, że w przypadku kubitów działających w zakresie od 5 do 10 gigaherców, co jest typowe dla dzisiejszej elektroniki, konieczne są określone kompromisy między zdolnością materiału do przenoszenia prądu, określaną na podstawie jego rezystancji, a nieliniowością złącza.
„Niektóre kombinacje właściwości materiałów po prostu nie nadają się do wykorzystania w przypadku kubitów działających z częstotliwością 5 gigaherców” – powiedział Black. Jednak w przypadku materiałów spełniających kryteria określone przez naukowców z Brookhaven kubity ze złączami zwężającymi mogą działać podobnie do kubitów ze złączami SIS.
Potencjał skalowalnych komputerów kwantowych
Liu i Black pracują obecnie ze swoim C2Współpracownikom ds. kontroli jakości zbadano materiały, które mogą spełniać specyfikacje określone w ich nowym artykule. W szczególności ich uwagę przykuły nadprzewodzące krzemki metali przejściowych, ponieważ materiały te są już stosowane w produkcji półprzewodników.
„W tej pracy pokazaliśmy, że możliwe jest złagodzenie niepokojącej charakterystyki skrzyżowań zwężonych” – powiedział Liu. „Teraz możemy więc zacząć wykorzystywać korzyści płynące z prostszego procesu wytwarzania kubitów”.
Ta praca ucieleśnia C2Podstawowa zasada wspólnego projektowania firmy QA, podczas której Liu i Black badali architekturę kubitową, która mogłaby zaspokoić wymagania obliczeń kwantowych i być zgodna z obecnymi możliwościami produkcji elektroniki.
„Tego typu interdyscyplinarna współpraca będzie w dalszym ciągu przybliżać nas do stworzenia skalowalnych komputerów kwantowych” – powiedział Black. „Niemal trudno uwierzyć, że ludzie osiągnęli poziom komputerów kwantowych, jakie mamy dzisiaj. Jesteśmy bardzo podekscytowani możliwością odegrania roli w pomaganiu C2Kontrola jakości osiąga swoje cele.”
Odniesienie: „Analiza wydajności superconductor-constriction-superconductor transmon qubits” autorstwa Mingzhao Liu (刘铭钊 i Charles T. Black, 9 lipca 2024 r., Przegląd fizyczny A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.110.012427
