Трансмон

Реализация сверхпроводящего кубита

В квантовых вычислениях , а точнее в сверхпроводящих квантовых вычислениях , трансмон — это тип сверхпроводящего зарядового кубита, разработанный для снижения чувствительности к зарядовому шуму. Трансмон был разработан Робертом Дж. Шелькопфом , Мишелем Деворе , Стивеном М. Гирвином и их коллегами в Йельском университете в 2007 году. ^{[1] [2]} Его название — это аббревиатура термина « каббит плазменных колебаний с шунтированной линией передачи » ; кубит, который состоит из коробки куперовской пары , «где два сверхпроводника также [емкостно] шунтированы для снижения чувствительности к зарядовому шуму, при этом сохраняя достаточную ангармоничность для избирательного управления кубитом». ^[3]

Устройство, состоящее из четырех трансмоновых кубитов, четырех квантовых шин и четырех считывающих резонаторов , изготовленное IBM и опубликованное в npj Quantum Information в январе 2017 года. ^[4]

Трансмон достигает своей пониженной чувствительности к зарядовому шуму за счет значительного увеличения отношения энергии Джозефсона к энергии заряда. Это достигается за счет использования большого шунтирующего конденсатора. Результатом являются интервалы между уровнями энергии, которые приблизительно не зависят от смещенного заряда. Планарные кубиты трансмонов на кристалле имеют время когерентности T 1 приблизительно от 30 мкс до 40 мкс. ^[5] Недавние работы показали значительное улучшение времени T ₁ до 95 мкс путем замены сверхпроводящего резонатора линии передачи на трехмерный сверхпроводящий резонатор, ^{[6] [7]} и путем замены ниобия на тантал в устройстве трансмона, время T ₁ дополнительно улучшается до 0,3 мс. ^[8] Эти результаты показывают, что предыдущие времена T ₁ не были ограничены потерями на переходе Джозефсона . Понимание фундаментальных ограничений времени когерентности в сверхпроводящих кубитах, таких как трансмон, является активной областью исследований.

Сравнение с коробкой Купера-пары

Собственные энергии (первые три уровня, ) гамильтониана кубита как функция эффективного заряда смещения для различных соотношений . Энергии даны в единицах энергии перехода , оцененных в точке вырождения . Нулевая точка энергии выбрана как дно уровня . Зарядовый кубит (маленький , вверху) обычно работает в «сладком пятне», где флуктуации вызывают меньший сдвиг энергии, а ангармоничность максимальна. Уровни энергии трансмона (большой , внизу) нечувствительны к флуктуациям, но ангармоничность уменьшается. ${\displaystyle E_{m}}$ ${\displaystyle m=0,1,2}$ ${\displaystyle n_{g}}$ ${\displaystyle E_{J}/E_{c}}$ ${\displaystyle E_{01}}$ ${\displaystyle n_{g}=0.5}$ ${\displaystyle m=0}$ ${\displaystyle E_{J}/E_{c}}$ ${\displaystyle n_{g}=0.5}$ ${\displaystyle E_{J}/E_{c}}$

Конструкция трансмона похожа на первую конструкцию зарядового кубита ^[9], известного как «Cooper-pair box»; обе описываются одним и тем же гамильтонианом, с единственным отличием в соотношении . Здесь — энергия Джозефсона перехода, а — энергия заряда, обратно пропорциональная общей емкости схемы кубита. Трансмоны обычно имеют (в то время как для типичных кубитов Cooper-pair-box), что достигается путем шунтирования перехода Джозефсона дополнительным большим конденсатором . ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$ ${\displaystyle E_{\rm {J}}}$ ${\displaystyle E_{\rm {C}}}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\gg 1}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\lesssim 1}$

Преимуществом увеличения отношения является нечувствительность к шуму заряда — уровни энергии становятся независимыми от смещенного заряда через переход; таким образом, время дефазировки кубита увеличивается. Недостатком является уменьшение ангармоничности , где — разность энергий между собственными состояниями и . Уменьшение ангармоничности усложняет работу устройства как двухуровневой системы, например, возбуждение устройства из основного состояния в первое возбужденное состояние резонансным импульсом также заселяет более высокое возбужденное состояние. Это усложнение преодолевается сложной конструкцией микроволнового импульса, которая учитывает более высокие уровни энергии и запрещает их возбуждение деструктивной интерференцией. Кроме того, в то время как изменение относительно имеет тенденцию к экспоненциальному уменьшению с , ангармоничность имеет только более слабую, алгебраическую зависимость от как . Значительный выигрыш во времени когерентности перевешивает уменьшение ангармоничности для управления состояниями с высокой точностью. ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$ ${\displaystyle n_{g}}$ ${\displaystyle \alpha =(E_{21}-E_{10})/E_{10}}$ ${\displaystyle E_{ij}}$ ${\displaystyle |i\rangle }$ ${\displaystyle |j\rangle }$ ${\displaystyle E_{10}}$ ${\displaystyle n_{g}}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}$ ${\displaystyle \sim (E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} })^{-1/2}}$

Измерение, управление и связь трансмонов выполняется с помощью микроволновых резонаторов с использованием методов из схемной квантовой электродинамики, также применимых к другим сверхпроводящим кубитам . Связь с резонаторами осуществляется путем размещения конденсатора между кубитом и резонатором в точке, где электромагнитное поле резонатора максимально. Например, в устройствах IBM Quantum Experience резонаторы реализованы с помощью «четвертьволновых» копланарных волноводов с максимальным полем на коротком замыкании сигнал-земля на конце волновода; таким образом, каждый кубит трансмона IBM имеет длинный «хвост» резонатора. Первоначальное предложение включало в себя аналогичные резонаторы линии передачи , связанные с каждым трансмоном, что стало частью названия. Однако зарядовые кубиты, работающие в аналогичном режиме, связанные с различными видами микроволновых полостей, также называются трансмонами. ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$

Трансмоны как кудиты

Трансмоны были исследованы для использования в качестве d -мерных кудитов через дополнительные энергетические уровни, которые естественным образом возникают выше подпространства кубита (два нижних состояния). Например, три нижних уровня могут быть использованы для создания трансмона кутрита ; в начале 2020-х годов исследователи сообщили о реализациях квантовых вентилей с одним кутритом на трансмонах ^{[10] [11],} а также запутывающих вентилей с двумя кутритами. ^[12] Запутывающие вентили на трансмонах также были исследованы теоретически и в симуляциях для общего случая кудитов произвольного d . ^[13]

Смотрите также

• Заряд кубита
• Ангармоничность
• Квантовая электродинамика цепей (cQED)
• Холодильник для разбавления
• Список квантовых процессоров
• Квантовый гармонический осциллятор
• Сверхпроводящие квантовые вычисления

Ссылки

1. Кох, Йенс; Ю, Терри М.; Гамбетта, Джей; Хоук, А.А.; Шустер, ДИ; Майер, Дж.; Блейс, Александр; Деворе, М.Х.; Гирвин, СМ; Шелькопф, Р.Дж. (12.10.2007). «Конструкция нечувствительного к заряду кубита, полученная из парного ящика Купера». Physical Review A. 76 ( 4): 042319. arXiv : cond-mat/0703002 . Bibcode : 2007PhRvA..76d2319K. doi : 10.1103/physreva.76.042319. ISSN  1050-2947. S2CID  53983107.
2. Schreier, JA; Houck, AA; Koch, Jens; Schuster, DI; Johnson, BR; et al. (2008-05-12). "Подавление декогеренции зарядового шума в сверхпроводящих зарядовых кубитах". Physical Review B. 77 ( 18). Американское физическое общество (APS): 180402. arXiv : 0712.3581 . Bibcode : 2008PhRvB..77r0502S. doi : 10.1103/physrevb.77.180502. ISSN  1098-0121. S2CID  119181860.
3. Финк, Йоханнес М. (2010). Квантовые нелинейности в сильной цепи связи QED (Ph.D.). ETH Zurich .
4. Гамбетта, Джей М.; Чоу, Джерри М.; Стеффен, Маттиас (2017-01-13). «Построение логических кубитов в сверхпроводящей квантовой вычислительной системе». npj Quantum Information . 3 (1). Springer Science and Business Media LLC: 2. arXiv : 1510.04375 . Bibcode : 2017npjQI...3....2G. doi : 10.1038/s41534-016-0004-0 . ISSN  2056-6387. S2CID  118517248.
5. Барендс, Р.; Келли, Дж.; Мегрант, А.; Сэнк, Д.; Джеффри, Э.; и др. (2013-08-22). «Когерентный кубит Джозефсона, подходящий для масштабируемых квантовых интегральных схем». Physical Review Letters . 111 (8): 080502. arXiv : 1304.2322 . Bibcode : 2013PhRvL.111h0502B. doi : 10.1103/physrevlett.111.080502. ISSN  0031-9007. PMID  24010421. S2CID  27081288.
6. Paik, Hanhee; Schuster, DI; Bishop, Lev S.; Kirchmair, G.; Catelani, G.; et al. (2011-12-05). "Наблюдение высокой когерентности в кубитах на основе джозефсоновского перехода, измеренное в трехмерной архитектуре квантовой электродинамики". Physical Review Letters . 107 (24): 240501. arXiv : 1105.4652 . Bibcode :2011PhRvL.107x0501P. doi :10.1103/physrevlett.107.240501. ISSN  0031-9007. PMID  22242979. S2CID  19296685.
7. Rigetti, Chad; Gambetta, Jay M.; Poletto, Stefano; Plourde, BLT; Chow, Jerry M.; et al. (2012-09-24). "Сверхпроводящий кубит в волноводной полости со временем когерентности, приближающимся к 0,1 мс". Physical Review B. 86 ( 10). Американское физическое общество (APS): 100506. arXiv : 1202.5533 . Bibcode : 2012PhRvB..86j0506R. doi : 10.1103/physrevb.86.100506. ISSN  1098-0121. S2CID  118702797.
8. Place, Alexander PM; Rodgers, Lila VH; Mundada, Pranav; Smitham, Basil M.; Fitzpatrick, Mattias; Leng, Zhaoqi; Premkumar, Anjali; Bryon, Jacob; Vrajitoarea, Andrei; Sussman, Sara; Cheng, Guangming; Madhavan, Trisha; Cava, Robert J.; de Leon, Nathalie ; Houck, Andrew A. (19.03.2021). "Новая материальная платформа для сверхпроводящих трансмоновых кубитов с временем когерентности, превышающим 0,3 миллисекунды". Nature Communications . 12 (1): 1779. arXiv : 2003.00024 . Bibcode : 2021NatCo..12.1779P. doi :10.1038/s41467-021-22030-5. ISSN 2041-1723  . PMC 7979772. PMID  33741989. 
9. Бушиа, В.; Вион, Д.; Джойез, П.; Эстев, Д.; Деворет, Миннесота (1998). «Квантовая когерентность с одной куперовской парой». Физика Скрипта . 1998 (T76): 165. Бибкод : 1998PhST...76..165B. doi :10.1238/Physica.Topical.076a00165. ISSN  1402-4896. S2CID  250887469.
10. Юрталан, МА; Ши, Дж.; Кононенко, М.; Лупаску, А.; Ашхаб, С. (2020-10-27). «Реализация вентиля Уолша-Адамара в сверхпроводящем кутрите». Physical Review Letters . 125 (18): 180504. arXiv : 2003.04879 . Bibcode : 2020PhRvL.125r0504Y. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.180504. PMID  33196217. S2CID  128064435.
11. Морван, А.; Рамасеш, В.В.; Блок, М.С.; Крейкебаум, Дж.М.; О'Брайен, К.; Чен, Л.; Митчелл, Б.К.; Наик, РК; Сантьяго, ДИ; Сиддики, И. (27.05.2021). "Qutrit Randomized Benchmarking". Physical Review Letters . 126 (21): 210504. arXiv : 2008.09134 . Bibcode : 2021PhRvL.126u0504M. doi : 10.1103/PhysRevLett.126.210504. hdl : 1721.1/143809. PMID  34114846. S2CID  221246177.
12. Госс, Ноа; Морван, Алексис; Маринелли, Брайан; Митчелл, Брэдли К.; Нгуен, Лонг Б.; Наик, Рави К.; Чен, Ларри; Юнгер, Кристиан; Крейкебаум, Джон Марк; Сантьяго, Дэвид И.; Уоллман, Джоэл Дж.; Сиддики, Ирфан (2022-12-05). "Высокоточные запутывающие вентили кутрита для сверхпроводящих цепей". Nature Communications . 13 (1): 7481. arXiv : 2206.07216 . Bibcode :2022NatCo..13.7481G. doi :10.1038/s41467-022-34851-z. ISSN  2041-1723. PMC 9722686. PMID  36470858 . 
13. Фишер, Лорин Э.; Кьеза, Алессандро; Таккино, Франческо; Эггер, Дэниел Дж.; Карретта, Стефано; Тавернелли, Ивано (28 августа 2023 г.). «Универсальный синтез ворот Кудит для трансмонов». PRX Квантум . 4 (3): 030327. arXiv : 2212.04496 . Бибкод : 2023PRXQ....4c0327F. doi : 10.1103/PRXQuantum.4.030327. S2CID  254408561.