Gangguan dalam chip komputer kuantum perlu dirancang untuk

Penelitian yang dilakukan dalam Cluster of Excellence ‘Matter and Light for Quantum Computing’ (ML4Q) telah menganalisis struktur perangkat mutakhir dari komputer kuantum untuk menunjukkan bahwa beberapa di antaranya memang beroperasi sangat berbahaya mendekati ambang kehancuran yang kacau. Tantangannya adalah berjalan di garis tipis antara gangguan yang terlalu tinggi, tetapi juga terlalu rendah untuk menjaga pengoperasian perangkat. Studi ‘Platform Transmon untuk komputasi kuantum yang ditantang oleh fluktuasi kacau’ telah diterbitkan hari ini di Komunikasi Alam.

Dalam perlombaan untuk apa yang mungkin menjadi teknologi kunci masa depan, raksasa teknologi seperti IBM dan Google menginvestasikan sumber daya yang sangat besar ke dalam pengembangan perangkat keras komputasi kuantum. Namun, platform saat ini belum siap untuk aplikasi praktis. Masih ada beberapa tantangan, di antaranya kontrol ketidaksempurnaan perangkat (‘gangguan’).

Ini adalah tindakan pencegahan stabilitas lama: Ketika sekelompok besar orang menyeberangi jembatan, mereka harus menghindari berbaris untuk mencegah pembentukan resonansi yang mengganggu stabilitas konstruksi. Mungkin berlawanan dengan intuisi, prosesor transmon qubit superkonduktor — platform berteknologi canggih untuk komputasi kuantum yang disukai oleh IBM, Google, dan konsorsium lainnya — bergantung pada prinsip yang sama: gangguan yang sengaja diperkenalkan menghalangi pembentukan fluktuasi kacau resonansi, sehingga menjadi bagian penting. produksi prosesor multi-qubit.

Untuk memahami poin yang tampaknya paradoks ini, orang harus memikirkan qubit transmon sebagai semacam pendulum. Qubit yang saling terkait untuk membentuk struktur komputasi mendefinisikan sistem pendulum yang digabungkan — sebuah sistem yang, seperti pendulum klasik, dapat dengan mudah dibangkitkan ke osilasi besar yang tak terkendali dengan konsekuensi yang membawa malapetaka. Di dunia kuantum, osilasi tak terkendali seperti itu mengarah pada penghancuran informasi kuantum; komputer menjadi tidak dapat digunakan. ‘Detunings’ lokal bandul tunggal yang sengaja diperkenalkan mencegah fenomena seperti itu.

‘Chip transmon tidak hanya mentolerir tetapi sebenarnya membutuhkan ketidaksempurnaan perangkat qubit-ke-qubit acak yang efektif,’ jelas Christoph Berke, mahasiswa doktoral tahun terakhir dalam kelompok Simon Trebst di University of Cologne dan penulis pertama makalah ini. ‘Dalam penelitian kami, kami menanyakan seberapa andal prinsip “stabilitas dengan keacakan” dalam praktiknya. Dengan menerapkan diagnosa mutakhir dari teori sistem yang tidak teratur, kami dapat menemukan bahwa setidaknya beberapa arsitektur sistem yang dikejar industri sangat dekat dengan ketidakstabilan.’

Dari sudut pandang fisika kuantum fundamental, prosesor transmon adalah sistem kuantum banyak tubuh dengan tingkat energi terkuantisasi. Alat numerik canggih memungkinkan seseorang untuk menghitung tingkat diskrit ini sebagai fungsi dari parameter sistem yang relevan, untuk mendapatkan pola yang menyerupai jalinan spageti yang dimasak. Analisis yang cermat terhadap struktur semacam itu untuk chip Google dan IBM yang dimodelkan secara realistis adalah salah satu dari beberapa alat diagnostik yang diterapkan dalam makalah untuk memetakan diagram stabilitas untuk komputasi kuantum transmon.

“Ketika kami membandingkan Google dengan chip IBM, kami menemukan bahwa dalam kasus terakhir, status qubit dapat digabungkan ke tingkat yang dapat membahayakan operasi gerbang yang dikendalikan,” kata Simon Trebst, kepala kelompok Fisika Materi Terkondensasi Komputasi di Universitas. dari Koln. Untuk mengamankan operasi gerbang yang terkontrol, seseorang perlu mencapai keseimbangan halus antara menstabilkan integritas qubit dan memungkinkan kopling antar-qubit. Dalam bahasa persiapan pasta, seseorang perlu mempersiapkan prosesor komputer kuantum dengan sempurna, menjaga keadaan energi ‘al dente’ dan menghindari kekusutan karena terlalu matang.

Studi gangguan pada perangkat keras transmon dilakukan sebagai bagian dari Cluster of Excellence ML4Q dalam kerja kolaboratif antara kelompok penelitian Simon Trebst dan Alexander Altland di University of Cologne dan kelompok David DiVincenzo di RWTH Aachen University dan Forschungszentrum J├╝lich. “Proyek kolaboratif ini cukup unik,” kata Alexander Altland dari Institute for Theoretical Physics di Cologne. “Pengetahuan pelengkap kami tentang perangkat keras transmon, simulasi numerik sistem banyak tubuh yang kompleks, dan kekacauan kuantum adalah prasyarat sempurna untuk memahami bagaimana informasi kuantum dengan gangguan dapat dilindungi. Ini juga menunjukkan bagaimana wawasan yang diperoleh untuk sistem referensi kecil dapat ditransfer ke aplikasi. -skala desain yang relevan.”

David DiVincenzo, direktur pendiri JARA-Institute for Quantum Information di RWTH Aachen University, menarik kesimpulan berikut: ‘Studi kami menunjukkan betapa pentingnya bagi pengembang perangkat keras untuk menggabungkan pemodelan perangkat dengan metodologi keacakan kuantum yang canggih dan untuk mengintegrasikan “diagnostik kekacauan” sebagai bagian rutin dari desain prosesor qubit di platform superkonduktor.’

Sumber Cerita:

Materi disediakan oleh Universitas Cologne. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

Komputasi Seluler