25년 2023월 XNUMX일 — MIT 연구원들은 큐비트 간 작업을 더 정확하게 수행할 수 있는 새로운 초전도 큐비트 아키텍처를 시연하여 양자 컴퓨터의 상업적 사용에 대한 장애물인 오류 수정을 해결했다고 보고했습니다.
연구진은 일반적으로 사용되는 초전도 큐비트보다 수명이 더 긴 플럭소늄(fluxonium)으로 알려진 비교적 새로운 유형의 초전도 큐비트를 활용했습니다. 약속 또는 양자 컴퓨팅을 실현하려면 오류 정정 코드의 양자 버전이 계산 오류가 발생하는 것보다 더 빠르게 설명할 수 있어야 합니다. 그러나 오늘날의 양자 컴퓨터는 아직 상업적으로 관련된 규모로 이러한 오류 수정을 실현할 만큼 강력하지 않습니다.
MIT 연구자들이 사용하는 아키텍처에는 두 개의 플럭소늄 큐비트 사이의 특수 결합 요소가 포함되어 있어 게이트라고 알려진 논리 연산을 매우 정확한 방식으로 수행할 수 있습니다. 이는 양자 작업에 오류를 일으킬 수 있는 원치 않는 백그라운드 상호 작용 유형을 억제합니다.
이 접근 방식을 통해 99.9% 정확도를 초과하는 99.99큐비트 게이트와 XNUMX% 정확도를 갖춘 단일 큐비트 게이트가 가능해졌습니다. 또한 연구원들은 확장 가능한 제조 프로세스를 사용하여 칩에 이 아키텍처를 구현했습니다.
“대규모 양자 컴퓨터 구축은 강력한 큐비트와 게이트로 시작됩니다. 우리는 매우 유망한 23큐비트 시스템을 보여주고 확장에 대한 많은 이점을 제시했습니다. 우리의 다음 단계는 큐비트 수를 늘리는 것입니다.”라고 EQuS(Engineering Quantum Systems) 그룹의 물리학 대학원생이자 이 아키텍처에 대한 논문의 주요 저자인 Leon Ding PhD 'XNUMX은 말합니다.
Ding은 EQuS 박사후 연구원인 Max Hays와 함께 논문을 썼습니다. 성영규 PhD '22; 현재 Atlantic Quantum의 CEO인 Bharath Kannan PhD '22; MIT Lincoln Laboratory의 직원 과학자이자 팀 리더인 Kyle Serniak; 선임 저자 William D. Oliver, Henry Ellis Warren 전기 공학, 컴퓨터 과학 및 물리학 교수, 양자 공학 센터 소장, EQuS 리더, 전자 연구소 부소장; MIT와 MIT Lincoln Laboratory의 다른 사람들도 마찬가지입니다. 이 연구는 오늘 물리적 검토 X.
Fluxonium Qubit에 대한 새로운 해석
기존 컴퓨터에서 게이트는 계산을 가능하게 하는 비트(일련의 1과 0)에서 수행되는 논리 연산입니다. 게이트 인 양자 컴퓨팅 같은 방식으로 생각할 수 있습니다. 단일 큐비트 게이트는 하나의 큐비트에 대한 논리적 작업인 반면, XNUMX큐비트 게이트는 연결된 두 큐비트의 상태에 따라 달라지는 작업입니다.
Fidelity는 이러한 게이트에서 수행되는 양자 연산의 정확성을 측정합니다. 양자 오류가 기하급수적으로 누적되기 때문에 가능한 가장 높은 충실도를 가진 게이트가 필수적입니다. 대규모 시스템에서 수십억 개의 양자 작업이 발생하면 겉보기에 작은 오류로 인해 전체 시스템이 빠르게 실패할 수 있습니다.
실제로는 이러한 낮은 오류율을 달성하기 위해 오류 정정 코드를 사용합니다. 그러나 이러한 코드를 구현하려면 작업이 초과해야 하는 "충실도 임계값"이 있습니다. 게다가 충실도를 이 임계값 이상으로 높이면 오류 수정 코드를 구현하는 데 필요한 오버헤드가 줄어듭니다.
XNUMX년 넘게 연구자들은 양자 컴퓨터를 구축하려는 노력에 주로 트랜스몬 큐비트를 사용해 왔습니다. 플럭소늄 큐비트(fluxonium qubit)로 알려진 또 다른 유형의 초전도 큐비트가 최근에 탄생했습니다. Fluxonium 큐비트는 트랜스몬 큐비트보다 수명 또는 일관성 시간이 더 긴 것으로 나타났습니다.
일관성 시간은 큐비트의 모든 정보가 손실되기 전에 큐비트가 작업을 수행하거나 알고리즘을 실행할 수 있는 시간을 측정한 것입니다.
“큐비트의 수명이 길어질수록 큐비트가 촉진하는 작업의 충실도가 높아집니다. 이 두 숫자는 서로 연결되어 있습니다. 그러나 플럭소늄 큐비트 자체가 꽤 잘 작동하더라도 좋은 게이트를 수행할 수 있는지는 확실하지 않습니다.”라고 Ding은 말합니다.
Ding과 그의 동료들은 처음으로 매우 강력하고 충실도가 높은 게이트를 지원할 수 있는 아키텍처에서 수명이 긴 큐비트를 사용하는 방법을 찾았습니다. 해당 아키텍처에서 플럭소늄 큐비트는 기존 트랜스몬 큐비트보다 약 10배 더 긴 XNUMX밀리초 이상의 일관성 시간을 달성할 수 있었습니다.
Hays는 "지난 몇 년 동안 플럭소늄이 단일 큐비트 수준에서 트랜스몬보다 성능이 우수하다는 여러 시연이 있었습니다."라고 말했습니다. "우리의 연구는 이러한 성능 향상이 큐비트 간의 상호 작용으로도 확장될 수 있음을 보여줍니다."
플럭소늄 큐비트는 확장 가능한 초전도 큐비트 기술의 설계 및 제조에 대한 전문 지식을 보유한 MIT Lincoln Laboratory(MIT-LL)와의 긴밀한 협력을 통해 개발되었습니다.
"이 실험은 우리가 '단일 팀 모델'이라고 부르는 것, 즉 EQuS 그룹과 MIT-LL의 초전도 큐비트 팀 간의 긴밀한 협력의 모범이었습니다."라고 Serniak은 말했습니다. "여기서 특히 MIT-LL 제조 팀의 기여를 강조할 가치가 있습니다. 그들은 특히 플럭소늄 및 기타 새로운 큐비트 회로를 위해 100개 이상의 조셉슨 접합으로 구성된 조밀한 어레이를 구성하는 기능을 개발했습니다."
더욱 강력한 연결
그들의 새로운 아키텍처에는 양쪽 끝에 두 개의 플럭소늄 큐비트가 있고 중간에 이들을 결합하기 위한 조정 가능한 트랜스몬 커플러가 있는 회로가 포함됩니다. 이 플럭소늄-트랜스몬-플럭소늄(FTF) 아키텍처는 두 개의 플럭소늄 큐비트를 직접 연결하는 방법보다 더 강력한 결합을 가능하게 합니다.
FTF는 또한 양자 작업 중에 백그라운드에서 발생하는 원치 않는 상호 작용을 최소화합니다. 일반적으로 큐비트 간의 결합이 강해지면 정적 ZZ 상호 작용으로 알려진 지속적인 배경 잡음이 더 많이 발생할 수 있습니다. 그러나 FTF 아키텍처는 이 문제를 해결합니다.
이러한 원치 않는 상호 작용을 억제하는 능력과 플럭소늄 큐비트의 더 긴 일관성 시간은 연구원들이 99.99%의 단일 큐비트 게이트 충실도와 99.9%의 XNUMX큐비트 게이트 충실도를 입증할 수 있는 두 가지 요소입니다.
이러한 게이트 충실도는 특정 공통 오류 정정 코드에 필요한 임계값보다 훨씬 높으며 대규모 시스템에서 오류 감지를 가능하게 합니다.
“양자 오류 수정은 중복성을 통해 시스템 탄력성을 구축합니다. 더 많은 큐비트를 추가하면 큐비트가 개별적으로 '충분'하다면 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 유치원생들로 가득 찬 방에서 과제를 수행하려고 한다고 생각해 보세요. 정말 혼란스러운 일이고 유치원생을 더 추가해도 상황이 나아지지는 않습니다.”라고 Oliver는 설명합니다. “그러나 여러 명의 성숙한 대학원생이 함께 작업하면 개인 중 어느 한 명도 능가하는 성과를 얻을 수 있습니다. 이것이 임계값 개념입니다. 확장 가능한 양자 컴퓨터를 구축하려면 아직 해야 할 일이 많지만, 임계값을 훨씬 넘는 고품질 양자 연산을 갖추는 것부터 시작됩니다.”
이러한 결과를 바탕으로 Ding, Sung, Kannan, Oliver 등은 최근 양자 컴퓨팅 스타트업을 설립했습니다. 대서양 양자. 이 회사는 플럭소늄 큐비트를 사용하여 상업용 및 산업용 애플리케이션을 위한 실행 가능한 양자 컴퓨터를 구축하려고 합니다.
“이러한 결과는 즉시 적용 가능하며 전체 분야의 상태를 변경할 수 있습니다. 이는 앞으로 나아갈 대체 경로가 있음을 커뮤니티에 보여줍니다. 우리는 이 아키텍처 또는 플럭소늄 큐비트를 사용하는 이와 유사한 것이 실제로 유용하고 내결함성이 있는 양자 컴퓨터를 구축한다는 측면에서 큰 가능성을 보여준다고 강력하게 믿습니다.”라고 Kannan은 말했습니다.
그러한 컴퓨터가 등장하려면 아직 10년은 더 걸릴 것이지만, 이 연구는 올바른 방향으로 나아가는 중요한 단계라고 그는 덧붙였습니다. 다음으로 연구원들은 XNUMX개 이상의 큐비트가 연결된 시스템에서 FTF 아키텍처의 장점을 입증할 계획입니다.
이 연구는 부분적으로 미 육군 연구실, 국방부 연구 및 엔지니어링 차관, IBM 박사 펠로십, 한국고등연구재단, 국방과학기술 대학원 펠로우십 프로그램의 지원을 받았습니다.
출처: 이것은 Adam Zewe의 이야기의 개정판입니다. MIT 뉴스
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- 출처: https://insidehpc.com/2023/09/mit-qubit-architecture-achieves-progress-on-quantum-error-correction/
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