Cohérence élevée et faible diaphonie dans une architecture qubit supraconductrice

Science Advances (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698″ width=”800″ height=”364″/>

Images optiques de l’enceinte et du circuit de la cavité. (A) Base du boîtier avec cavité, pilier central et quatre trous traversants coniques pour l’accès au câblage hors du plan. (B) Couvercle du boîtier avec un évidement cylindrique central et des trous traversants identiques pour le câblage hors plan. (C) Évidement cylindrique dans le couvercle rempli d’une bille d’indium. (D) (Niveaux de gris) Circuit à quatre qubits monté à l’intérieur de la base du boîtier. Les quatre qubits sont visibles, disposés dans un réseau carré avec un espacement de 2 mm. (E) Un résonateur en spirale et (F) un qubit transmon avec des dimensions d’électrode identiques à celles de l’appareil. Crédit: Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques, Peter A. Spring et une équipe de scientifiques en physique de l’Université d’Oxford ont décrit la cohérence des qubits et la faible diaphonie et les erreurs de porte à un seul qubit dans l’architecture qubit supraconductrice, adaptée aux réseaux bidimensionnels (2D) de qubits. La configuration expérimentale impliquait une enceinte à cavité shuntée par induction avec un câblage de commande non galvanique hors du plan, des qubits et des résonateurs fabriqués sur les côtés opposés d’un substrat. Les scientifiques ont développé un dispositif de preuve de concept comprenant quatre qubits transmon non couplés, c’est-à-dire un qubit chargé supraconducteur avec une sensibilité réduite au bruit de charge, pour présenter des caractéristiques spécifiques mesurées via une analyse comparative aléatoire simultanée. La nature intégrée tridimensionnelle du câblage de contrôle a permis au qubit de rester adressable car l’architecture formait des réseaux de qubit plus grands.

Architecte quantique

Les efforts pour construire des réseaux tridimensionnels (3D) avec une multitude de qubits hautement cohérents sont un défi matériel exceptionnel. Les chercheurs ont précédemment développé des circuits supraconducteurs comme plate-forme prometteuse pour réaliser de tels réseaux et former un ensemble de portes universel. En règle générale, deux ensembles d’exigences doivent être remplies pour mettre à l’échelle ces réseaux supraconducteurs, y compris une méthode pour acheminer le câblage de contrôle vers le circuit permettant à tous les qubits de rester adressables et mesurables, tout en empêchant l’émergence de modes parasites à basse fréquence dans le circuit avec des dimensions croissantes. Le processus de mise à l’échelle doit également empêcher la décohérence des canaux vers les qubits et être compatible avec les fidélités de porte au-delà du seuil des codes de correction d’erreur quantique. Les physiciens avaient auparavant surmonté les limites de câblage des circuits connectés en périphérie via un câblage de contrôle intégré 3D comme solution pratique. En variante, les circuits peuvent être enfermés dans des cavités shuntées par induction en deux dimensions avec une fréquence de coupure aux modes de cavité. Spring et al ont présenté des résultats expérimentaux relatifs à ce dernier concept sur un circuit de preuve de principe à quatre qubits, où l’architecture du circuit comportait un câblage de commande hors plan intégré 3D, des qubits et des résonateurs de lecture fabriqués sur les côtés opposés d’un substrat. L’équipe a également inclus une nouvelle fonctionnalité clé pour la compatibilité avec les temps de cohérence transmon, dépassant 100 ,s, une faible diaphonie et des erreurs de porte à un seul qubit.

Cohérence élevée et faible diaphonie dans une architecture qubit supraconductrice

Schémas de l’appareil. (A) Coupe transversale de la conception de câblage hors plan (pas à l’échelle), illustrée ici en adressant un qubit. PTFE, polytétrafluoroéthylène. (B) Coupe transversale de la masse via la conception de shunt inductif (à l’échelle). Les dimensions conçues sont indiquées en micromètres. (C) Illustration de la disposition du circuit (pas à l’échelle). Le substrat et l’enceinte sont partiellement représentés, et le câblage hors plan est représenté pour Q2. Exemples de termes de couplage et de tensions de commande dans l’hamiltonien. Crédit: Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698

Cohérence élevée et faible diaphonie dans une architecture qubit supraconductrice

Caractérisation de la relaxation Qubit. (A) Deux cent cinquante et une mesures T1 consécutives sur une période d’environ 12 heures. (B) Histogrammes résultants de T1. L’encart montre un exemple de tracé de temps T1 pour Q3 et la séquence d’impulsions de mesure. Les quatre qubits ont été mesurés simultanément ; les données sont présentées sur deux graphiques pour plus de lisibilité. Crédit: Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698

Architecture de l’appareil et caractérisation de la diaphonie

Les chercheurs ont obtenu des images de l’enceinte et du circuit de la cavité, où la base de l’enceinte maintenait un seul “pilier” central et un couvercle contenant un évidement cylindrique assorti rempli d’une boule d’indium. Ils ont disposé les quatre qubits transmon coaxiaux dans un réseau 2 x 2 avec un espacement de 2 mm, puis ont mis en œuvre une conception de câblage hors plan avec une conception de shunt inductif et une disposition de circuit, où chaque résonateur était aligné coaxialement et couplé de manière capacitive. à un qubit. La configuration a permis aux électrodes qubit d’être “flottantes électriquement”. L’équipe a obtenu les paramètres de base du circuit et caractérisé la diaphonie de l’appareil, où l’appareil était une démonstration de principe de l’architecture du circuit sans couplages intentionnels, sauf entre les paires qubit-résonateur. En conséquence, Spring et al ont identifié tous les autres couplages comme une diaphonie indésirable. L’équipe a ensuite défini les termes de la diaphonie et résumé les couplages transversaux parasites expérimentaux et simulés dans l’appareil, suivis de mesures expérimentales de la sélectivité de la ligne de contrôle du qubit et de la sélectivité de la ligne de contrôle du résonateur. Ils ont également mesuré le couplage parasite qubit-résonateur pour comprendre le décalage dispersif parasite entre le qubit et le résonateur. Suivi d’une analyse comparative aléatoire à un seul qubit effectuée sur les quatre qubits séparément et simultanément. L’équipe a mené chacune des 31 x 80 expériences, 5 000 fois pour établir des statistiques et a présenté les portes d’erreur par physique résultantes, et a également effectué une analyse comparative aléatoire corrélée basée sur des données expérimentales simultanées. Pour les simulations de structure de bande, Spring et al ont analysé le modèle de simulateur de structure haute fréquence d’une cellule unitaire contenant les dimensions idéales de la région centrale de 2 mm x 2 mm de l’appareil. Ils ont ensuite cartographié la structure de la bande pendant les simulations tout en recueillant des détails sur la fréquence de coupure analytique, la courbure de la bande et les prévisions de peau et de profondeur du plasma dans la configuration.

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    Caractérisation de la diaphonie. (A) Sélectivité de la ligne de contrôle qubit mesurée expérimentalement φqij = (εqij / εqjj) 2 du qubit i à la ligne de contrôle qubit j, exprimée en unités de dB sous la forme 10log10 (φqij). (B) Sélectivité de la ligne de contrôle du résonateur mesurée expérimentalement φrij = (εrij / εrjj) 2 du résonateur i à la ligne de contrôle du résonateur j, exprimée en unités de dB sous la forme 10log10 (φrij). (C) Variation de fréquence dans Q1 trouvée à partir de 20 expériences répétées de Ramsey, avec soit aucun entraînement sur un résonateur, soit un entraînement continu appliqué à R2, R3 ou R4 à la fréquence ωr, j qui le remplit avec un nombre de photons n¯j d’au moins nfaible, j ≝ ncrit, j / 10. Crédit: Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698

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    . Simulation de structure de bande. (A) Modèle HFSS d’une cellule unitaire comportant un seul qubit adressable et mesurable (4 × 1/4) et un seul pilier qui shunte par induction l’enceinte. La cellule unitaire a des dimensions identiques à la région centrale de 2 mm sur 2 mm de l’appareil mesuré dans ce travail. (B) Dispersion simulée de la bande la plus basse pour l’enceinte infinie formée en pavant le plan avec la cellule unitaire, avec (solide) et sans (pointillé) le pilier de shunt inductif et l’ouverture de substrat associée. Le vecteur d’onde k trace entre les points de symétrie Γ : (kx = 0, ky = 0), X : (kx = π/a, ky = 0), M : (kx = π/a, ky = π/a) . Les courbes colorées montrent la courbure prédite autour du point Γ avec (rouge) et sans (bleu) le pilier de shunt inductif et l’ouverture de substrat associée, en n’utilisant aucun paramètre d’ajustement libre. Crédit: Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698

Perspectives

De cette manière, Peter A. Spring et ses collègues ont analysé les temps de cohérence moyens des qubits et les fidélités de porte simultanées à un seul qubit dans une démonstration à quatre qubits d’une architecture de circuit supraconducteur 3D. Avant l’inclusion des circuits de couplage qubit, l’équipe a fortement supprimé la diaphonie résiduelle de la configuration. Le dispositif optimisé envisagé est applicable pour étudier les erreurs corrélées générées par un rayonnement à haute énergie dans des réseaux de qubits avec une cohérence élevée et une diaphonie supprimée de manière exponentielle. L’architecture actuelle contenait une enceinte à cavité shuntée par induction entourant étroitement le circuit, combinée à un câblage de commande hors plan intégré 3D et à des résonateurs de lecture inversés. Les résultats ont mis en évidence la faible diaphonie de la configuration expérimentale. L’emballage du boîtier est réutilisable en remodelant la bille d’indium dans l’évidement du couvercle ; cependant, le circuit n’était pas lié au boîtier et ne pouvait donc pas être retiré et remonté. Les scientifiques ont mis en évidence plusieurs lacunes du dispositif présenté, notamment les taux de désintégration externes faibles et variables du résonateur et les décalages dispersifs qui n’étaient pas optimaux pour les lectures de qubit. Printemps et al. a attribué la cohérence accrue de la configuration au processus de fabrication, qui différait des implémentations précédentes de l’architecture.


Technique plus rapide de réinitialisation des circuits quantiques proposée


Plus d’information:
Peter A. Spring et al, Cohérence élevée et faible diaphonie dans une architecture de circuit supraconducteur intégré 3D carrelable, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126 / sciadv.abl6698

G. Fowler et al, Codes de surface : vers un calcul quantique pratique à grande échelle, Examen physique A (2012). DOI : 10.1103 / PhysRevA.86.032324

© 2022 Réseau Science X

Citation: Cohérence élevée et diaphonie faible dans une architecture qubit supraconductrice (2022, 29 avril) récupéré le 30 avril 2022 sur https://phys.org/news/2022-04-high-coherence-cross-talk-superconducting-qubit. html

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