Российские ученые из НИТУ МИСИС и МГТУ им. Н.Э. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты. Особенность флаксониумов в более длинном жизненном цикле и большей точности операций, что дает возможность делать более длинные алгоритмы. Статья об исследовании, которое приближает создание квантового компьютера к реальности, опубликована в npj Quantum Information — Nature.
Одна из основных проблем разработки универсального квантового вычислителя заключается в кубитах, а именно — из каких квантовых объектов лучше всего делать процессоры для квантовых компьютеров: электронов, фотонов, ионов, сверхпроводников или других кандидатов в «квантовые транзисторы». За последние десять лет сверхпроводниковые кубиты получили огромный толчок в развитии. На сегодняшний день самыми коммерчески успешными сверхпроводящими кубитами являются трансмоны, которые активно исследуются и используются в квантовых разработках Google, IBM и других ведущих мировых лабораторий.
Главная задача кубита — целостно хранить и обрабатывать информацию. Случайный шум и даже просто наблюдение способны привести к потере или изменению данных. Для устойчивой работы сверхпроводниковых кубитов часто необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды — близкая к нулю Кельвин, что в сотни раз холоднее температуры открытого космоса.
Российские физики лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Университета МИСИС и МГТУ им. Н.Э. Баумана одни из первых в мире смогли реализовать двухкубитную операцию, используя сверхпроводящие флаксониевые кубиты — альтернативу популярным трансмонам. Для защиты кубитов от шума исследователи добавили в цепь супериндуктор — сверхпроводниковый элемент с высоким уровнем сопротивления переменному току, который представляет собой цепочку из 40 джозефсоновских контактов — структур из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика.
«Флаксониевые кубиты сложнее и менее изучены, в сравнении с трансмонами. Основной плюс флаксониумов заключается в том, что с ними можно работать на низкой частоте — порядка 600МГц. Известно, что чем меньше частота, тем больше время жизни кубитов, а значит больше операций с ними можно выполнить. В ходе испытаний оказалось, что диэлектрические потери флаксониевых кубитов позволяют держать состояние суперпозиции дольше, чем у трансмонов», — рассказал Илья Беседин, один из авторов исследования, инженер научного проекта лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС.
В качестве элемента, преобразующего входные состояния кубитов на выходные, ученые использовали высокоточные двухкубитные вентили fSim и CZ, а для того, чтобы привести кубиты в резонанс друг с другом применялась параметрическая модуляция потока одного из кубитов системы. Как отмечают авторы исследования, благодаря перестраиваемому элементу связи одновременно удалось не только получить точность двухкубитных операций выше 99,22%, но и подавить остаточное ZZ-взаимодействие между кубитами, что позволило выполнять параллельные однокубитные операции с точностью 99,97%.
«Низкая частота вычислительных кубитов открывает путь не только к более длинным временам жизни кубитов и точности вентильных операций, что, соответственно, позволит делать более длинные алгоритмы, но также дает возможность использовать субгигагерцовую электронику в линиях управления кубитами, а это значительно уменьшает сложность системы управления квантовым процессором», — отметил Илья Беседин.
Полученные результаты открывают интересный и многообещающий подход к отказоустойчивым квантовым вычислениям с низкочастотными кубитами, которые благодаря своим улучшенным когерентным свойствам могут стать конкурентоспособной альтернативой широко используемым сверхпроводниковым процессорам на кубитах-трансмонах.
В дальнейшем ученые планируют продолжать исследования с вычислениями на базе кубитов-флаксониумов: оптимизировать систему управления кубитами, улучшить показатели считывания и приступить к разработке многокубитных систем на их основе.
