A Qilimanjaro, som un empresa d'informàtica quàntica full-stack. Això significa que treballem en totes les capes de la tecnologia: des del disseny i la calibració del xip quàntic, fins a la construcció del programari i els sistemes de control que connecten el maquinari amb els usuaris, passant pel desenvolupament de la teoria i els alg Unitat de processament quàntic (QPU).
Hi ha diverses maneres d'implementar una QPU, amb els principals enfocaments basats en circuits superconductors, ions atrapats, àtoms neutres, i fotònica. El nostre enfocament són els circuits superconductors, i dins d'aquesta plataforma ens especialitzem en un tipus de qubit particularment potent: el fluxoni.
En aquesta entrada del bloc, aprofundirem en els detalls del que fa únic el qubit fluxonium i per què es troba al centre de la nostra tecnologia.
Un qubit és la unitat fonamental d'informació en la informàtica quàntica. A diferència d'un bit clàssic, que només pot ser 0 o 1, un qubit pot estar en una superposició dels dos estats, 0 i 1, alhora. Això significa que un qubit pot representar molta més informació que un bit clàssic.
Però primer, què és un qubit? Un bit quàntic és la nostra manera de codificar la informació en un ordinador quàntic. Un qubit és un sistema quàntic que pot existir en aquests dos estats, normalment denotats com a |0⟩ i |1⟩. A diferència d'un bit clàssic, que només pot estar en un estat alhora, un qubit també pot estar en una superposició d'ambdós estats, el que significa que té una probabilitat de ser |0⟩ i una probabilitat de ser |1⟩. Això permet que un qubit emmagatzemi més informació que un bit clàssic.
Els qubits tenen una certa probabilitat α² estar en l'estat |0〉i una certa probabilitat, β² estar en l'estat |1〉Aquesta superposició d'estats només és realitzable dins de la mecànica quàntica.²
No obstant això, per poder mantenir aquesta superposició quàntica, necessitem evitar la decoherència del sistema. La decoherència és el procés pel qual.
La interacció d'aquest qubit amb l'entorn fa que l'estat col·lapsi a |0〉 o |1〉
Com fem un quibit?
Per construir un qubit útil, necessitem un sistema que es comporti com un àtom de dos nivells. Els àtoms reals són bons models perquè els seus nivells d'energia no estan espaiats equitativament: el salt de |0⟩ → |1⟩ requereix una energia diferent que el salt de |1⟩ → |2⟩ . Aquest espaiat desigual, anomenat anharmonicitat, ens permet aïllar i controlar només els dos estats més baixos, |0⟩ → |1⟩ , sense excitar involuntàriament estats superiors.
En aquest diagrama mostrem la distribució típica dels estats d'un àtom. Podem veure que la separació energètica entre els estats és diferent, és a dir, E01, L'energia que una partícula necessita per passar de l'estat |0⟩ o |1⟩ és diferent de Ε12, l'energia requerida perquè una partícula salti de l'estat |1〉 o |2〉
Aquesta propietat és la que fa possible el control coherent. Enviat un pols de microones amb la freqüència correcta, ω01, podem excitar selectivament el qubit de |0〉→ |1〉
El nostre proper repte és recrear aquest comportament utilitzant circuits. Podem dissenyar un sistema elèctric amb nivells d'energia distribuïts com els d'un àtom? És a dir, podem construir un àtom electrònic?
L'oscil·lador LC
El circuit més senzill que podem construir amb components bàsics és un Oscil·lador LC, que consta d'un inductor (L) i un condensador (C) connectats en paral·lel. L'energia total d'aquest circuit —o el seu Hamiltonià, en llenguatge físic— té dues parts:
- El primer terme prové de la càrrega emmagatzemada al condensador.
- El segon terme està relacionat amb el flux (φ) a través de l'inductor.
Per veure si aquest circuit podria funcionar com a qubit, ens fixem en el seu espectre energètic, que ens explica com s'ordenen els possibles nivells d'energia. Després de diagonalitzar l'Hamiltonià, trobem que l'oscil·lador LC es comporta com un oscil·lador harmònic els seus nivells d'energia són separats uniformement. Això significa que la freqüència de transició, ω01, és exactament la mateixa per a |0〉→ |1〉, |1〉→ |2〉, |2〉→ |3〉 i així successivament.
Com a resultat, si enviem un pols de microones a la freqüència ω01, podem excitar el qubit de |0〉→ |1〉. Però el mateix pols també impulsa transicions superiors – |1〉→ |2〉, |2〉→ |3〉 etc. En lloc d'aïllar un sistema de dos nivells, creem un estat coherentuna superposició que implica molts nivells alhora.
Espectre d'energia de l'oscil·lador LC.
És per això que l'oscil·lador LC no pot servir com a qubit. A diferència dels àtoms, els nivells energètics dels quals són no uniformement espaiats, l'oscil·lador LC és massa simètric. Per fer un qubit real, hem d'introduir No linealitat al circuit de manera que només els dos estats més baixos es puguin controlar selectivament
Circuit amb inductància no lineal
Per trencar l'espaiat uniforme de l'oscil·lador LC, hem d'introduir No linealitat. Això s'aconsegueix amb un Junció Josephson (JJ). Una unió Josephson és essencialment una entrepà superconductor-aïllant-superconductor: dos cables superconductors separats per una barrera aïllant molt fina.
Diagrama esquemàtic d'una Junció Josephson.
Tot i que la barrera és un aïllant, el corrent encara hi pot circular gràcies a barrellet quàntic — un efecte purament quàntic. Josephson va demostrar que el corrent que flueix a través de la unió es relaciona amb el flux magnètic φ d'una manera sinusoïdal:
on és el corrent crític i és el quàntum de flux.
Aquesta relació ens diu una cosa important: la unió Josephson es comporta com un inductor, però no una d'anormal. En un inductor normal, el corrent i el flux estan relacionats per un constant simple, 1/L. En un JJ, la relació depèn del propi flux, fent-lo no lineal. Si calculem la inductància efectiva derivant el corrent respecte de (*amb relació a*) el flux, trobem que varia com:
Comparació d'una inductància amb una unió Josephson.
Per què és important?
potential that is periodic in flux. potencial en forma de cosinus.
Què significa això per a l'espectre d'energia? En un potencial parabòlic, els nivells d'energia estan espaiats uniformement, per això l'oscil·lador LC falla com a qubit. Però en un potencial cosinus, els pous són finits i periòdics. Segons la mecànica quàntica, quan una partícula està confinada en un potencial així, els nivells d'energia han de reajustar — ja no estan uniformement separats.
El qubit Transmon
Si ens centrem en un d'aquests pous cosinus, trobem que els primers nivells d'energia tenen separacions diferents. Això proporciona exactament la propietat que volem: un espectre anarmònic. Els dos estats inferiors, |0⟩ → |1⟩, estan prou aïllats com per poder excitar selectivament les transicions entre ells amb microones, sense filtrar fàcilment cap a nivells superiors.
El circuit format per un condensador i una Junció de Josephson es coneix com el qubit transmon.
Espectre energètic del qubit transmon.
El Fluxonium Qubit
El qubit fluxonium es basa en el transmon, afegint-hi un gran superinductància (un inductor de molt alta inductància) en paral·lel amb la unió Josephson.
Arquitectura del Fluxonium
Aquest “shunt” inductiu modifica el potencial: en lloc d'un simple pou cosinus, ara tenim un potencial cosinus confinat dins un potencial parabòlic.
El resultat és el espectre energètic del fluxoni, tal com es mostra a la figura següent.
Espectre energètic dels fluxons.
Per què Fluxòniums?
En els qubits superconductors, una soroll dielèctric—dipols elèctrics minúsculs i fluctuants en materials i interfícies que absorbeixen energia del camp elèctric del qubit. Aquesta pèrdua típicament creix amb la freqüència. Els fluxònium solen tenir una transició |0〉→ |1〉 al voltant 0,1–1 GHz, mentre els transmons són típicament 4-5 GHz. Operar a les freqüències més baixes del fluxoni, per tant redueix el soroll dielèctric i ajuda a preservar la coherència.
A més, els fluxoniums són més anharmònic que els transmons: la separació entre |0〉→ |1〉 i |1〉→ |2〉 és més gran. Aquesta separació addicional ens permet aplicar més curt (més fort/ràpid) controlar impulsos sense conduir accidentalment el qubit a l'estat |1〉→ |2〉.
Ditgeixit així, polsos més curts repartits en més freqüències. Com que els nivells del fluxoni estan més separats, aquesta dispersió evita transicions no desitjades, de manera que la fuita és molt menys probable, fins i tot quan excitem el qubit amb polsos ràpids!
I un altre avantatge: Els fluxònims són una opció natural per a la computació quàntica analògica.—una història per a una altra publicació!
