Rewolucyjna metoda pomiaru kubitów zwiększa skalowalność

Pogoń za stale rosnącą liczbą kubitów w krótkoterminowych komputerach kwantowych będzie stale wymagać nowych przełomowych odkryć inżynieryjnych.

Jedną z irytujących przeszkód w tym wyścigu skalowania jest poprawa sposobu pomiaru kubitów. Do wykonywania tych pomiarów zwykle wykorzystuje się urządzenia zwane wzmacniaczami parametrycznymi. Jednak jak sama nazwa wskazuje, urządzenie w celu przeprowadzenia odczytu wzmacnia słabe sygnały przechwycone z kubitów, co powoduje niepożądany szum i może prowadzić do dekoherencji kubitów, jeśli nie są one chronione dodatkowymi dużymi komponentami. Co ważniejsze, ogromny rozmiar łańcucha wzmacniającego staje się technicznie trudny do pokonania w miarę wzrostu liczby kubitów w lodówkach o ograniczonej objętości.

Wejdź na grupę badawczą Uniwersytetu Aalto zajmującą się obliczeniami kwantowymi i urządzeniami (QCD). Mają długie doświadczenie w pokazywaniu, w jaki sposób bolometry termiczne mogą być wykorzystywane jako ultraczułe detektory, a właśnie wykazali w artykule opublikowanym 10 kwietnia w czasopiśmie Nature Electronics, że pomiary bolometru mogą być wystarczająco dokładne, aby odczytać wszystkie kubity na raz.

Nowy sposób pomiaru

Ku konsternacji wielu fizyków, zasada nieoznaczoności Heisenberga określa, że ​​nie można dokładnie poznać położenia i pędu sygnału, ani napięcia i prądu. Dotyczy to pomiarów kubitów wykonywanych przy użyciu parametrycznych wzmacniaczy napięcia i prądu. Ale wykrywanie energii polimeru to zupełnie inny rodzaj pomiaru, sposób na ominięcie osławionej reguły Heisenberga. Ponieważ bolometr mierzy moc, czyli liczbę fotonów, nie ma potrzeby dodawania szumu kwantowego wynikającego z zasady nieoznaczoności Heisenberga w sposób, w jaki robią to wzmacniacze parametryczne.

W przeciwieństwie do wzmacniaczy, bolometry bardzo subtelnie wykrywają fotony mikrofalowe emitowane przez kubit za pośrednictwem minimalnie inwazyjnego interfejsu detekcyjnego. Ten współczynnik kształtu jest około 100 razy mniejszy niż jego odpowiednik w głośniku, co czyni go bardzo atrakcyjnym jako urządzenie pomiarowe.

„Myśląc o przyszłości wyższej kwantowej, łatwo sobie wyobrazić, że liczba wysokich kubitów liczona w tysiącach, a nawet milionach może być powszechna. Dokładna ocena odcisku palca każdego komponentu jest absolutnie niezbędna dla tej ogromnej ekspansji. Pokazaliśmy w W artykule Nature Electronics można uwzględnić nanoskalę. Podczas naszych pierwszych eksperymentów odkryliśmy, że mierniki te są wystarczająco dokładne, aby umożliwić jednorazowy odczyt, są wolne od dodatkowego szumu kwantowego i zużywają 10 000 razy mniej energii niż konwencjonalne wzmacniacze – a wszystko to w małej pulsometr, jego wrażliwa część „Może rozprzestrzeniać się w obrębie pojedynczej bakterii” – mówi Mikko Mottonen, profesor na Uniwersytecie Aalto, który kieruje grupą badawczą QCD.

Dokładność pojedynczego strzału to jedna z najważniejszych metryk wykorzystywanych przez fizyków do określenia, jak dokładnie urządzenie może wykryć stan kubitu tylko w jednym pomiarze, a nie w średniej z wielu pomiarów. W przypadku eksperymentów z macierzą QCD udało się uzyskać dokładność pojedynczego strzału na poziomie 61,8% przy czasie odczytu około 14 mikrosekund. Po skorygowaniu czasu relaksacji energii kubitu dokładność wzrasta do 92,7%.

„Po niewielkich modyfikacjach możemy spodziewać się, że bolometry osiągną wymaganą dokładność pojedynczego strzału wynoszącą 99,9% przy 200 nanosekundach”. Możemy na przykład zmienić materiał bolometru z metalu na grafen, który ma mniejszą pojemność cieplną i może szybko wykryć bardzo małe zmiany jego energii. Usuwając inne niepotrzebne elementy pomiędzy bolometrem a samym chipem, nie tylko możemy uzyskać większą poprawę dokładności odczytu, ale możemy uzyskać mniejsze, prostsze urządzenie pomiarowe, które sprawia, że ​​skalowanie do wyższych liczb kubitów staje się bardziej wykonalne. mówi András Goniho, pierwszy autor artykułu i doktorant w grupie QCD.

Przed wykazaniem w niedawnym artykule wysokiej dokładności pojedynczych odczytów bolometrów, grupa badawcza QCD Pokazane po raz pierwszy że w 2019 r. bolometry można będzie wykorzystać do ultraczułych pomiarów mikrofalowych w czasie rzeczywistym. Następnie w 2020 r. opublikowano w czasopiśmie Nature artykuł pokazujący, w jaki sposób Bolometry wykonane z grafenu mogą skrócić czas odczytu O wiele mniej niż mikrosekunda.

Prace prowadzono w Centrum Doskonałości Technologii Kwantowej (QTF) Fińskiej Rady ds. Badań Naukowych, wykorzystując infrastrukturę badawczą OtaNano we współpracy z Centrum Badań Technicznych VTT w Finlandii i IQM Quantum Computers. Projekt był finansowany głównie ze środków Advanced Grant ConceptQ Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, programu Future Makers Fundacji Jane i Aatos Erkko oraz Fundacji Technologii Przemysłu Stulecia w Finlandii.

Pełny artykuł:

Andras M. Gunihu, Suman Kundu, Jian Ma, Wei Liu, Sakari Niemela, Giacomo Cato, Vasiliy Vadimov, Vesa Vestrinen, Priyank Singh, Qiming Chen, Mikko Mottonen, Jednorazowy odczyt nadprzewodzącego kubitu za pomocą detektora termicznego, Nature Electronics, https://doi.org/10.1038/s41928-024-01147-7 (2024).