Das zeigen die Ergebnisse einer Studie zu einem neuen supraleitenden Qubit, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde
Supraleitende Qubits
Herkömmliche Rechenmodelle stützen sich aufphysikalische Lösungen entsprechend den Gesetzen der klassischen Mechanik. So arbeiten zum Beispiel die meisten modernen Prozessoren. Quantencomputer nutzen Phänomene, die auf der Skala von Atomen und subatomaren Teilchen auftreten, um Informationen zu übermitteln und zu verarbeiten.
Es gibt verschiedene Modelle des Quantencomputings,Die beliebtesten beinhalten jedoch die Verwendung von Qubits und Quantengattern. Denken Sie daran, dass ein Qubit ein System mit zwei möglichen Zuständen ist, die sich in einem von ihnen oder in einer Überlagerung von beiden befinden können. Ein Quantengatter ist ein grundlegendes Element einer digitalen Schaltung, die eine elementare logische Operation durchführt. Es beschreibt, wie sich der Zustand von Qubits unter Berücksichtigung der Anfangswerte ändert, nachdem ein bestimmtes Gesetz auf sie angewendet wurde.
Da Quanteneffekte nur in auftretenBei ultrakleinen Maßstäben ist die Erstellung von Qubits und Gates eine äußerst schwierige Aufgabe. Von den vielen Ansätzen zum Bau nützlicher Quantencomputer haben supraleitende Qubits die größte Popularität erlangt. Um sie zu erzeugen, verwenden Ingenieure Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, bei denen Quanteneffekte auf Makroebene auftreten. Diese Technologie wird beispielsweise von den kürzlich vorgestellten IBM-Quantenprozessoren verwendet, die eine Rekordzahl von 433 Qubits enthalten.
cooper paar und transmon
In einem Supraleiter sind die meisten Ladungsträgersind Cooper-Paare. Dies ist ein gebundener Zustand zweier Elektronen, die durch ein Phonon wechselwirken. Es hat einen Spin von Null und eine Ladung, die der doppelten Ladung eines Elektrons entspricht. Es sind diese Teilchen, die als Ganzes wirken, die für das Quantencomputing verwendet werden.
Das einfachste Ladungs-Qubit oder BlockCooper-Paare sind ein Element, dessen Zustand das Vorhandensein oder Fehlen überschüssiger Cooper-Paare auf der Insel bestimmt. Eine solche Komponente besteht aus einer winzigen supraleitenden Insel, die über einen Josephson-Kontakt mit einem supraleitenden Reservoir verbunden ist. An diesem Übergang wird der kritische Strom unterdrückt und ein Tunnelstrom fließt durch eine dünne isolierende oder nicht supraleitende Schicht zwischen den beiden Supraleitern.
Der Zustand des Qubits hängt von der Zahl abCooper-Paare, die durch die Verbindung getunnelt sind. Der Tunneleffekt wird genutzt, um anharmonische Quantenoszillatoren zu entwerfen, die als Qubits fungieren.
Schematische Darstellung einer Lade-Qubit-Schaltung. Die Insel wird durch eine supraleitende Elektrode zwischen dem Gate-Kondensator und der Übergangskapazität gebildet. Bild: ETH
Ladungs-Qubits werden mit hergestelltTechnologien, die denen der Mikroelektronik ähneln. Die Geräte werden typischerweise auf Silizium- oder Saphirwafern mittels Elektronenstrahllithographie und Dünnfilmverdampfung aufgebaut.
In diesem Fall werden Josephson-Kontakte mit gebildetmit Schattenverdunstung. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem das Grundmetall abwechselnd unter zwei Winkeln durch eine lithographisch definierte Maske in einen Elektronenstrahlresist verdampft. Dies führt zur Bildung von zwei überlappenden Schichten aus supraleitendem Metall, zwischen denen eine dünne Isolatorschicht abgeschieden wird.
Obwohl solche Qubits recht einfach herzustellen sindBei der Verwendung ausgereifter Technologie, die in klassischen Computern verwendet wird, gehört zu ihren Nachteilen die schnelle Dekohärenz (Zusammenbruch der Verschränkung) unter dem Einfluss von externem Rauschen. Damit Quantencomputer sinnvolle Berechnungen durchführen können, müssen die darin enthaltenen Informationen nahezu 100 % genau sein. Ladegeräusche, die durch die Unvollkommenheit der materiellen Umgebung, in der sich die Qubits befinden, verursacht werden, wirken sich negativ auf die Genauigkeit der Informationen aus.
Ein IBM-Gerät, das aus vier Transmons besteht. Bild: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Um die „Lebensdauer“ solcher Qubits zu verlängern, in2007 vollendeten Forscher der Yale University das System und schufen das Transmon. Dies ist ein Block von Cooper-Paaren, bei dem die Josephson-Kontakte zusätzlich mit einem großen kapazitiven Kondensator überbrückt werden. Die Abnahme der Empfindlichkeit gegenüber kapazitivem Rauschen führte zu einer Erhöhung der Kohärenzzeit von 1–2 ns für einen Block von Cooper-Paaren auf fast 100 ns für ein Transmon.
Unimon ist ein neues supraleitendes Qubit
Künstlerische Darstellung eines Unimons in einem Quantenprozessor. Bild: Alexander Kakinen, Aalto-Universität
Trotz erheblicher Fortschritte in der EntwicklungQuantencomputing, Qubit-Designs und Methoden, die derzeit verwendet werden, bieten keine ausreichend hohe Leistung für einen breiten praktischen Einsatz. Die Komplexität der durchgeführten Berechnungen wird hauptsächlich durch Fehler in Quantenelementen mit einem und zwei Qubits begrenzt.
Um dieses Problem zu lösen, Forschereinen neuartigen supraleitenden Qubit entwickelt. Sie kombinieren erhöhte Anharmonizität (Abweichung der Energie des Systems von harmonischen "Schwankungen"), vollständige Unempfindlichkeit gegenüber DC-Rauschen, reduzierte Empfindlichkeit gegenüber magnetischem Rauschen und eine einfache Struktur.
Das Gerät besteht aus einem Josephsonein von einem linearen Induktor nebengeschlossener Übergang und ein Kondensator, der in einem Modus arbeitet, in dem die induktive Energie hauptsächlich durch die Josephson-Energie kompensiert wird. Diese Eigenschaft führt zu einem hohen Maß an Anharmonizität mit vollständiger Immunität gegenüber niederfrequentem Ladungsrauschen und teilweisem Schutz vor Strömungsgeräuschen, stellen die Forscher fest.
Für die experimentelle Demonstration des Unimons, Wissenschaftlerentworfene und hergestellte Chips, die jeweils aus drei Unimon-Qubits bestehen. Sie verwendeten Niob als supraleitendes Material, mit Ausnahme von Josephson-Kontakten, bei denen die supraleitenden Zuleitungen aus Aluminium bestanden.
Links:Mikroskopische Falschfarbenaufnahme eines Siliziumchips, der drei Unimons (blau) zusammen mit ihren Auslesehohlräumen (rot), Ansteuerleitungen (grün) und Sondenverbindungsleitungen (gelb) enthält. Rechts: Ein vereinfachter Versuchsaufbau zur Messung von Unimons. Bild: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Das ist Wissenschaftlern mit ihren Geräten gelungenGenauigkeit von 99,8 % bis 99,9 % für 13-ns-Single-Qubit-Gates auf drei verschiedenen Unimon-Qubits. Die Forscher stellen fest, dass Unimons aufgrund der höheren Anharmonizität oder Nichtlinearität als bei Transmons schneller bearbeitet werden können, was zu weniger Fehlern pro Operation führt.
Unimons sind sehr einfach, haben aber viele Vorteile.vor dem Transmon. Die Tatsache, dass das allererste Unimon, das je geschaffen wurde, so gut funktionierte, eröffnet viel Raum für Optimierungen und große Durchbrüche.
Mikko Mettonen, Professor für Quantentechnologie an der Aalto-Universität
Forscher werden weiter an Verbesserungen in arbeitenDesign, Materialien und Unimon-Gate-Zeiten, um das Ziel einer Genauigkeit von 99,99 % zu übertreffen, um einen nützlichen Quantenvorteil und eine effiziente Fehlerkorrektur in praktischen Geräten basierend auf einer großen Anzahl von Qubits zu schaffen.
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