Прорыв в квантовых вычислениях с использованием встроенного генератора импульсов

Квантовые вычисления уже давно превозносятся как будущее решения сложных проблем. Это также считается плохим предзнаменованием для современных криптосистем. Однако эффективное расширение было слабостью.

В настоящее время эта область сталкивается с проблемой масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов. Этот диапазон необходим для полной реализации квантовых алгоритмов с коррекцией ошибок и разработки квантовых приложений среднего размера. Более того, современные методы чтения кубитов и манипулирования ими дороги и громоздки.

В современных системах микроволновые сигналы передаются от электронных устройств при комнатной температуре на квантовые чипы, помещенные в холодильники с глубоким криогенным ослаблением при температуре до милликельвина. Это предполагает маршрутизацию этих сигналов через коаксиальные кабели — метод, который с определенного момента становится непрактичным.

Согласно отчетам, хотя эту установку можно масштабировать примерно до 1000 кубитов, масштабирование за ее пределами влечет за собой значительные накладные расходы и тепловые издержки. Азо Квантум.

Основным недостатком здесь является традиционная архитектура, которая не может справиться с обширной проводкой и рассеиванием тепла, которые возникают при таком масштабировании.

Многообещающее решение

Гомогенная интеграция может стать решением этой проблемы. За счет тесной интеграции кубитов, управляющей электроники и микроволн, а также замены крупномасштабной проводки многоуровневыми микросхемами и печатными блоками этот подход может снизить отрицательную тепловую нагрузку и занимаемую площадь системы.

Гомогенная интеграция обеспечивает системные преимущества, такие как улучшенные возможности распределения и доставки сигналов, а также снижение задержек связи. Кроме того, это снижает зависимость от конденсированных пучков проводов — основного источника тепловой нагрузки и сложности.

Однако требуется охлаждаемый когерентный генератор микроволновых импульсов, совместимый со сверхпроводящими квантовыми схемами. Новое исследование выявило источник сигнала, управляемый цифровыми сигналами, генерирующий импульсное микроволновое излучение с хорошо контролируемой фазой, интенсивностью и частотой непосредственно при температуре в милликельвинах.

Команда, стоящая за этим исследованием, предлагает охлаждаемый встроенный в кристалл генератор когерентных микроволновых импульсов. Они использовали сверхпроводящие схемы в вакуумном процессе, чтобы получить точный контроль частоты, интенсивности и фазы путем цифрового манипулирования магнитным потоком с помощью сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (СКВИД), встроенного в сверхпроводящий резонатор.

Устройство команды состоит из резонатора параллельных волн λ/2 со сквидом, встроенным в его центральный проводник. СКВИД, имеющий два параллельных джозефсоновских перехода, действует как перестраиваемый индуктор и позволяет изменять характеристики резонатора путем изменения магнитного потока.

Полная индуктивность резонатора, встроенного в СКВИД, включает в себя как зависящую от потока индуктивность СКВИДа, так и индуктивность резонатора плоской волноводной волны. Для считывания использовалась трехмерная (3D) квантовая электродинамическая структура.

В своих экспериментах исследователи использовали сопротивление перехода при комнатной температуре в диапазоне от 50 Ом до 270 Ом, что соответствует индуктивностям в диапазоне от 58 до 310 pH при нулевом потоке. Эти значения составляют от 3,1% до 11,6% от общей индуктивности резонаторов, включенных в СКВИД.

Для питания генератора импульсов команда использовала генератор случайных волн с частотой дискретизации 1 ГГц. Этот генератор обеспечивал необходимый этап помпажа/обхода для источника сигнала в криогенной среде. Затем выходной сигнал криогенного микроволнового источника был усилен с помощью серии усилителей на разных температурных ступенях.

Влияние и перспективы

Созданный командой когерентный криогенный генератор микроволновых импульсов продемонстрировал исключительную когерентность при генерации микроволновых фотонных импульсов. Это представляет собой значительный прогресс по сравнению с предыдущими источниками микроволновых фотонов, использовавшимися в криогенных средах.

Такая высокая когерентность обеспечивает удобную суперпозицию, позволяющую генерировать широкий диапазон микроволновых сигналов. Этот прорыв может привести к широкому внедрению сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Подробности исследования команды были опубликованы в журнале. Природные коммуникации.