Dat blijkt uit de resultaten van een onderzoek naar een nieuwe supergeleidende qubit, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications
Supergeleidende qubits
Traditionele rekenmodellen vertrouwen opfysische oplossingen die overeenkomen met de wetten van de klassieke mechanica. Zo werken bijvoorbeeld de meeste moderne processors. Quantumcomputing maakt gebruik van fenomenen die zich voordoen op de schaal van atomen en subatomaire deeltjes om informatie te communiceren en te verwerken.
Er zijn verschillende modellen van kwantumcomputing,de meest populaire zijn echter het gebruik van qubits en kwantumpoorten. Bedenk dat een qubit een systeem is met twee mogelijke toestanden, die zich in een van beide kunnen bevinden of in een superpositie van beide. Een kwantumpoort is een basiselement van een digitaal circuit dat een elementaire logische bewerking uitvoert. Het beschrijft hoe de toestand van qubits zal veranderen, rekening houdend met de beginwaarden, nadat een bepaalde wet erop is toegepast.
Omdat kwantumeffecten alleen voorkomen inOp ultrakleine schaal is het maken van qubits en poorten een uiterst moeilijke taak. Van de vele benaderingen voor het bouwen van bruikbare kwantumcomputers, hebben supergeleidende qubits de meeste populariteit gewonnen. Om ze te maken, gebruiken ingenieurs temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, waarbij kwantumeffecten op macroniveau beginnen te verschijnen. Het is bijvoorbeeld deze technologie die wordt gebruikt door de onlangs geïntroduceerde IBM-kwantumprocessors met een record van 433 qubits.
cooper koppel en transmon
In een supergeleider zijn de meeste ladingsdragerszijn Cooper-paren. Dit is een gebonden toestand van twee elektronen die op elkaar inwerken via een fonon. Het heeft nul spin en een lading die gelijk is aan tweemaal de lading van een elektron. Het zijn deze deeltjes, die als een geheel werken, die worden gebruikt voor kwantumcomputing.
De eenvoudigste oplaadqubit of blokCooper-paren zijn een element waarvan de toestand de aanwezigheid of afwezigheid van overtollige Cooper-paren op het eiland bepaalt. Zo'n component wordt gevormd door een klein supergeleidend eiland dat via een Josephson-overgang is verbonden met een supergeleidend reservoir. In dit knooppunt wordt de kritische stroom onderdrukt en stroomt er een tunnelstroom door een dunne isolerende of niet-supergeleidende laag tussen de twee supergeleiders.
De status van de qubit is afhankelijk van het aantalCooper-paren die door de verbinding tunnelden. Het tunneleffect wordt gebruikt om kwantum-anharmonische oscillatoren te ontwerpen die fungeren als qubits.
Schematisch diagram van een laadqubit-circuit. Het eiland wordt gevormd door een supergeleidende elektrode tussen de poortcondensator en de junctiecapaciteit. Afbeelding: ETH
Charge qubits worden gemaakt met behulp vantechnologieën die vergelijkbaar zijn met die welke in de micro-elektronica worden gebruikt. De apparaten zijn doorgaans gebouwd op silicium- of saffierwafels met behulp van elektronenbundellithografie en verdamping van dunne metaalfilms.
In dit geval worden Josephson-kruisingen gevormd metgebruikmakend van schaduwverdamping. Dit is een proces waarbij het moedermetaal afwisselend onder twee hoeken verdampt door een lithografisch gedefinieerd masker in een elektronenbundelresist. Dit resulteert in de vorming van twee overlappende lagen supergeleidend metaal, waartussen een dunne laag isolator wordt aangebracht.
Al zijn zulke qubits vrij eenvoudig om mee te makenDoor gebruik te maken van volwassen technologie die in klassieke computers wordt gebruikt, zijn de nadelen ervan onder meer snelle decoherentie (afbraak van verstrengeling) onder invloed van externe ruis. Als kwantumcomputers nuttige berekeningen willen uitvoeren, moet de informatie die ze bevatten bijna 100% nauwkeurig zijn. Oplaadruis veroorzaakt door de imperfectie van de materiële omgeving waarin de qubits zich bevinden, heeft een negatieve invloed op de nauwkeurigheid van de informatie.
Een IBM-apparaat bestaande uit vier transmonen. Afbeelding: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Om de "levensduur" van dergelijke qubits te verlengen, inIn 2007 voltooiden onderzoekers van Yale University het systeem en creëerden ze de transmon. Dit is een blok van Cooper-paren, waarin de Josephson-overgangen bovendien zijn overbrugd met een grote capacitieve condensator. De afname van de gevoeligheid voor capacitieve ruis resulteerde in een toename van de coherentietijd van 1-2 ns voor een blok Cooper-paren tot bijna 100 ns voor een transmon.
Unimon is een nieuwe supergeleidende qubit
Artistieke illustratie van een unimon in een kwantumprocessor. Afbeelding: Alexander Kakinen, Universiteit van Aalto
Ondanks aanzienlijke vooruitgang in de ontwikkelingQuantum computing, qubit-ontwerpen en -methoden die momenteel worden gebruikt, bieden niet voldoende prestaties voor wijdverbreid praktisch gebruik. De complexiteit van de uitgevoerde berekeningen wordt vooral beperkt door fouten in kwantumelementen met één en twee qubits.
Om dit probleem op te lossen, onderzoekersontwikkelde een nieuw type supergeleidende qubit. Ze combineren verhoogde anharmoniciteit (afwijking van de energie van het systeem van harmonische "fluctuaties"), volledige ongevoeligheid voor DC-ruis, verminderde gevoeligheid voor magnetische ruis en een eenvoudige structuur.
Het apparaat bestaat uit één Josephsoneen knooppunt overbrugd door een lineaire inductor en een condensator die werkt in een modus waarin de inductieve energie voornamelijk wordt gecompenseerd door de Josephson-energie. Deze eigenschap resulteert in een hoog niveau van anharmoniciteit met volledige immuniteit voor laagfrequente ladingsruis en gedeeltelijke bescherming tegen stromingsruis, merken de onderzoekers op.
Voor de experimentele demonstratie van de unimon, wetenschappersontworpen en vervaardigde chips, elk bestaande uit drie unimon qubits. Ze gebruikten niobium als supergeleidend materiaal, met uitzondering van Josephson-contacten, waarbij de supergeleidende draden van aluminium waren.
Links:Microscopische afbeelding in namaakkleur van een siliciumchip met drie unimons (blauw) samen met hun uitleesholtes (rood), aandrijflijnen (groen) en sondeverbindingslijn (geel). Rechts: een vereenvoudigde experimentele opstelling die wordt gebruikt om unimons te meten. Afbeelding: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Met hun apparaten hebben wetenschappers bereiktnauwkeurigheid van 99,8% tot 99,9% voor 13 ns single-qubit-poorten op drie verschillende unimon-qubits. De onderzoekers merken op dat vanwege de hogere anharmoniciteit of niet-lineariteit dan in transmonen, er sneller aan unimons kan worden gewerkt, wat resulteert in minder fouten per bewerking.
Unimons zijn heel eenvoudig maar hebben veel voordelen.voor de transmonen. Het feit dat de allereerste unimon die ooit is gemaakt zo goed werkte, opent veel ruimte voor optimalisatie en grote doorbraken.
Mikko Mettonen, hoogleraar kwantumtechnologie aan de universiteit van Aalto
Onderzoekers zullen blijven werken aan verbeteringen inontwerp, materialen en uniforme poorttijden om de doelstelling van 99,99% nauwkeurigheid te overtreffen om een nuttig kwantumvoordeel en efficiënte foutcorrectie te creëren in praktische apparaten op basis van een groot aantal qubits.
Lees verder:
De belangrijkste theorie over de oorsprong van de mens werd weerlegd: waar kwamen we vandaan?
Resultaten van eerste medicijnonderzoek tegen kanker gepubliceerd
Er leven nu 8 miljard mensen op aarde: bedreigt overbevolking de planeet?