25. September 2023 – MIT-Forscher berichten, dass sie eine neuartige supraleitende Qubit-Architektur demonstriert haben, die Operationen zwischen Qubits mit größerer Genauigkeit ausführen kann und damit ein Hindernis für die kommerzielle Nutzung von Quantencomputern beseitigt: die Fehlerkorrektur.
Die Forscher verwendeten einen relativ neuen Typ supraleitender Qubits, bekannt als Fluxonium, dessen Lebensdauer länger sein kann als die häufiger verwendeter supraleitender Qubits. Um das Versprechen des Quantencomputings zu verwirklichen, müssen Quantenversionen von Fehlerkorrekturcodes in der Lage sein, Rechenfehler schneller zu berücksichtigen, als sie auftreten. Heutige Quantencomputer sind jedoch noch nicht robust genug, um eine solche Fehlerkorrektur auf kommerziell relevanten Skalen zu realisieren.
Die von den MIT-Forschern verwendete Architektur beinhaltet ein spezielles Kopplungselement zwischen zwei Fluxonium-Qubits, das es ihnen ermöglicht, logische Operationen, sogenannte Gates, auf hochpräzise Weise auszuführen. Es unterdrückt eine Art unerwünschte Hintergrundinteraktion, die zu Fehlern bei Quantenoperationen führen kann.
Dieser Ansatz ermöglichte Zwei-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von über 99.9 Prozent und Einzel-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von 99.99 Prozent. Darüber hinaus implementierten die Forscher diese Architektur mithilfe eines erweiterbaren Herstellungsprozesses auf einem Chip.
„Der Bau eines großen Quantencomputers beginnt mit robusten Qubits und Gattern. Wir haben ein vielversprechendes Zwei-Qubit-System gezeigt und seine vielen Vorteile für die Skalierung dargelegt. Unser nächster Schritt besteht darin, die Anzahl der Qubits zu erhöhen“, sagt Leon Ding PhD '23, ein Physikstudent in der Gruppe Engineering Quantum Systems (EQuS) und Hauptautor einer Arbeit über diese Architektur.
Ding hat die Arbeit zusammen mit Max Hays, einem EQuS-Postdoc, geschrieben; Youngkyu Sung PhD '22; Bharath Kannan PhD '22, der jetzt CEO von Atlantic Quantum ist; Kyle Serniak, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Teamleiter am MIT Lincoln Laboratory; und der leitende Autor William D. Oliver, Henry Ellis Warren-Professor für Elektrotechnik und Informatik sowie für Physik, Direktor des Zentrums für Quantentechnik, Leiter von EQuS und stellvertretender Direktor des Forschungslabors für Elektronik; sowie andere am MIT und MIT Lincoln Laboratory. Die Forschung erscheint heute in Körperliche Überprüfung X..
Neue Version des Fluxonium-Qubits
In einem klassischen Computer sind Gatter logische Operationen, die an Bits (einer Reihe von Einsen und Nullen) ausgeführt werden, die eine Berechnung ermöglichen. Tore rein Quantencomputing kann auf die gleiche Weise betrachtet werden – ein einzelnes Qubit-Gatter ist eine logische Operation an einem Qubit, während ein Zwei-Qubit-Gatter eine Operation ist, die von den Zuständen zweier verbundener Qubits abhängt.
Fidelity misst die Genauigkeit von Quantenoperationen, die an diesen Gattern durchgeführt werden. Gatter mit höchstmöglicher Genauigkeit sind unerlässlich, da sich Quantenfehler exponentiell anhäufen. Da in einem großen System Milliarden von Quantenoperationen ablaufen, kann ein scheinbar kleiner Fehler schnell zum Ausfall des gesamten Systems führen.
In der Praxis würde man Fehlerkorrekturcodes verwenden, um solch niedrige Fehlerraten zu erreichen. Es gibt jedoch einen „Glaubwürdigkeitsschwellenwert“, den die Vorgänge überschreiten müssen, um diese Codes zu implementieren. Darüber hinaus verringert die Erhöhung der Wiedergabetreue weit über diesen Schwellenwert hinaus den Aufwand, der für die Implementierung von Fehlerkorrekturcodes erforderlich ist.
Seit mehr als einem Jahrzehnt verwenden Forscher bei ihren Bemühungen zum Bau von Quantencomputern hauptsächlich Transmon-Qubits. Eine andere Art von supraleitendem Qubit, bekannt als Fluxonium-Qubit, entstand in jüngerer Zeit. Es wurde gezeigt, dass Fluxonium-Qubits eine längere Lebensdauer oder Kohärenzzeit haben als Transmon-Qubits.
Die Kohärenzzeit ist ein Maß dafür, wie lange ein Qubit Operationen oder Algorithmen ausführen kann, bevor alle Informationen im Qubit verloren gehen.
„Je länger ein Qubit lebt, desto zuverlässiger sind die Operationen, die es fördert. Diese beiden Zahlen sind miteinander verknüpft. Aber selbst wenn Fluxonium-Qubits selbst recht gut funktionieren, war unklar, ob man mit ihnen gute Gates erzeugen kann“, sagt Ding.
Zum ersten Mal haben Ding und seine Mitarbeiter einen Weg gefunden, diese langlebigeren Qubits in einer Architektur zu nutzen, die extrem robuste, hochpräzise Gates unterstützen kann. In ihrer Architektur konnten die Fluxonium-Qubits Kohärenzzeiten von mehr als einer Millisekunde erreichen, etwa zehnmal länger als herkömmliche Transmon-Qubits.
„In den letzten Jahren gab es mehrere Demonstrationen, dass Fluxonium Transmonen auf der Ebene eines einzelnen Qubits übertrifft“, sagt Hays. „Unsere Arbeit zeigt, dass dieser Leistungsschub auch auf Interaktionen zwischen Qubits ausgeweitet werden kann.“
Die Fluxonium-Qubits wurden in enger Zusammenarbeit mit dem MIT Lincoln Laboratory (MIT-LL) entwickelt, das über Fachwissen in der Entwicklung und Herstellung erweiterbarer supraleitender Qubit-Technologien verfügt.
„Dieses Experiment war beispielhaft für das, was wir das ‚Ein-Team-Modell‘ nennen: die enge Zusammenarbeit zwischen der EQuS-Gruppe und dem Team für supraleitende Qubits am MIT-LL“, sagt Serniak. „Hier lohnt es sich, insbesondere den Beitrag des Fertigungsteams am MIT-LL hervorzuheben – sie haben die Fähigkeit entwickelt, dichte Anordnungen von mehr als 100 Josephson-Kontakten speziell für Fluxoniumverbindungen und andere neue Qubit-Schaltkreise zu konstruieren.“
Eine stärkere Verbindung
Ihre neuartige Architektur umfasst einen Schaltkreis mit zwei Fluxonium-Qubits an beiden Enden und einem abstimmbaren Transmon-Koppler in der Mitte, der sie miteinander verbindet. Diese Fluxonium-Transmon-Fluxonium (FTF)-Architektur ermöglicht eine stärkere Kopplung als Methoden, die zwei Fluxonium-Qubits direkt verbinden.
FTF minimiert außerdem unerwünschte Wechselwirkungen, die bei Quantenoperationen im Hintergrund auftreten. Typischerweise können stärkere Kopplungen zwischen Qubits zu mehr dieser anhaltenden Hintergrundgeräusche führen, die als statische ZZ-Wechselwirkungen bekannt sind. Aber die FTF-Architektur behebt dieses Problem.
Die Fähigkeit, diese unerwünschten Wechselwirkungen zu unterdrücken, und die längeren Kohärenzzeiten von Fluxonium-Qubits sind zwei Faktoren, die es den Forschern ermöglichten, eine Gattertreue für ein Qubit von 99.99 Prozent und eine Gattertreue für zwei Qubit von 99.9 Prozent zu demonstrieren.
Diese Gate-Wiedergabegenauigkeiten liegen deutlich über dem Schwellenwert, der für bestimmte gängige Fehlerkorrekturcodes erforderlich ist, und sollten die Fehlererkennung in größeren Systemen ermöglichen.
„Die Quantenfehlerkorrektur erhöht die Systemstabilität durch Redundanz. Durch das Hinzufügen weiterer Qubits können wir die Gesamtsystemleistung verbessern, vorausgesetzt, die Qubits sind einzeln „gut genug“. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Aufgabe in einem Raum voller Kindergartenkinder auszuführen. Das ist eine Menge Chaos, und die Aufnahme weiterer Kindergartenkinder wird es nicht besser machen“, erklärt Oliver. „Die Zusammenarbeit mehrerer reifer Doktoranden führt jedoch zu einer Leistung, die über die Leistung eines einzelnen Einzelnen hinausgeht – das ist das Schwellenkonzept.“ Während es noch viel zu tun gibt, um einen erweiterbaren Quantencomputer zu bauen, beginnt es mit qualitativ hochwertigen Quantenoperationen, die weit über dem Schwellenwert liegen.“
Aufbauend auf diesen Ergebnissen gründeten Ding, Sung, Kannan, Oliver und andere kürzlich ein Quantencomputer-Startup. Atlantisches Quantum. Das Unternehmen möchte Fluxonium-Qubits nutzen, um einen funktionsfähigen Quantencomputer für kommerzielle und industrielle Anwendungen zu bauen.
„Diese Ergebnisse sind sofort anwendbar und könnten den Zustand des gesamten Feldes verändern. Dies zeigt der Community, dass es einen alternativen Weg nach vorne gibt. Wir sind fest davon überzeugt, dass diese Architektur oder eine ähnliche Architektur mit Fluxonium-Qubits vielversprechend ist, wenn es darum geht, tatsächlich einen nützlichen, fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen“, sagt Kannan.
Während ein solcher Computer wahrscheinlich noch zehn Jahre entfernt sei, sei diese Forschung ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung, fügt er hinzu. Als nächstes wollen die Forscher die Vorteile der FTF-Architektur in Systemen mit mehr als zwei verbundenen Qubits demonstrieren.
Diese Arbeit wurde teilweise vom US Army Research Office, dem Unterstaatssekretär für Verteidigung für Forschung und Technik, einem IBM-Doktorandenstipendium, der Korea Foundation for Advance Studies und dem National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program finanziert.
Quelle: Dies ist eine überarbeitete Version einer Geschichte von Adam Zewe, MIT-Nachrichten
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- Quelle: https://insidehpc.com/2023/09/mit-qubit-architecture-achieves-progress-on-quantum-error-correction/
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