Qubits transmon de recuit laser pour processeurs quantiques supraconducteurs hautes performances

Exemple d'un processus de recuit LASIQ. (A) Aperçu de la configuration de coupe laser (23). Un laser de génération de deuxième harmonique de 532 nm est séquentiellement focalisé sur les jonctions d'un processeur quantique multiqubit, avec un recuit thermique pour diminuer sélectivement les fréquences qubit (f01) pour éviter les collisions. (B) Exemple d'un réseau Falcon accordé de 27 qubits. Le f01 prédit final est représenté sous la forme d'une carte thermique, avec les paires de collisions initiales NN à haut risque mises en surbrillance et les contours orange indiquant le f01 initial au-dessus de la bande passante de la protection Purcell. Après le LASIQ, les contraintes de collision et de fréquence sont résolues. (C) Détail des recuits de qubit. Le panneau inférieur indique le f01 prédit initial (rouge) et final (bleu) montrant les qubits réglés sur des points de consigne de fréquence distincts. Le panneau du milieu indique la distance d'accord (décalages négatifs monotones), ainsi que les décalages cibles souhaités (losanges violets), avec un écart RMS (c'est-à-dire une précision de réglage de la résistance équivalente en fréquence) de 4,8 MHz, tel que déterminé à partir de f01 empirique (Rn) corrélations. Le panneau supérieur représente les décalages de résistance de jonction correspondants, atteignant des plages de réglage allant jusqu'à 14,2 %. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abi6690

Les physiciens quantiques visent à faire évoluer le nombre de qubits lors de l'informatique quantique, tout en maintenant des portes quantiques haute fidélité; il s'agit d'une tâche difficile en raison des exigences de fréquence précises qui accompagnent le processus. Des processeurs quantiques supraconducteurs de plus de 50 qubits sont actuellement activement disponibles et ces transmons à fréquence fixe sont attrayants en raison de leur longue cohérence et de leur immunité au bruit. Un transmon est un type de qubit de charge supraconducteur conçu pour avoir une sensibilité réduite au bruit de charge. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Eric J. Zhang et une équipe de scientifiques d'IBM Quantum, IBM T.J. Watson Research Center, New York, États-Unis, a utilisé le recuit laser pour régler sélectivement les qubits transmon dans les modèles de fréquence souhaités. L'équipe de recherche a atteint une précision d'accord de 18,5 MHz, sans aucun impact mesurable sur la cohérence quantique, et envisage de faciliter ainsi le recuit sélectif pour jouer un rôle central dans les architectures à fréquence fixe.

Recuit laser de qubits stochastiquement dégradés (LASIQ)

Les systèmes multi-qubits peuvent être construits sur des architectures d'électrodynamique quantique de circuits supraconducteurs pour une variété d'applications, y compris la mise en œuvre de l'algorithme de factorisation de Shor, des simulations de chimie quantique et l'apprentissage automatique. Les chercheurs ont également utilisé la métrique du volume quantique pour suivre la progression continue de la puissance de traitement quantique pour un processeur donné. Les physiciens quantiques avaient récemment développé une technique de recuit laser de qubits stochastiquement altérés, abrégée LASIQ pour augmenter le rendement sans collision des réseaux transmon en ajustant les fréquences de qubit individuelles via le recuit thermique laser. Dans ce travail, Zhang et al ont démontré le processus LASIQ comme une méthode évolutive pour obtenir la précision de réglage laser attendue. En plus du nombre de qubits accordés, ils ont mesuré les paramètres fonctionnels des puces multi-qubits pour des performances de processeur élevées. Au cours de l'étude, ils ont exploré les capacités de mise à l'échelle de LASIQ en réglant un processeur Hummingbird de 65 qubits (accessible sous ibmq_manhattan). Zhang et al. envisagent que le processus LASIQ sera utilisé comme un outil de réglage de fréquence évolutif pour les architectures de transmons à fréquence fixe dans les futures générations de systèmes quantiques supraconducteurs.

Statistiques de résultats de réglage LASIQ. (A) Distribution initiale (gris) des qubits qui ont été réglés avec succès sur la cible (orange). La distance de la cible δRT est le différentiel d'accord normalisé à la résistance cible finale RT. Les barres oranges indiquent la distribution finale (largeur de bac réduite de 20 × pour plus de clarté) et montrent les 349 qubits réglés avec succès. (B) Vue agrandie de la distribution orange illustrée en (A). Le succès du recuit est défini comme une résistance accordée à moins de 0,3 % de RT, qui a été atteinte par tous les qubits affichés, et 89,5 % des 390 qubits accordés (détails dans les documents supplémentaires). Les régions bleues/rouges indiquent un sous-dépassement/dépassement, respectivement. Un ajustement log-normal est représenté par la courbe noire, qui soutient l'interprétation du réglage LASIQ comme un processus de croissance de la résistance incrémentielle. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abi6690

LASIQ règle un processeur Falcon 27 qubits et améliore la précision de réglage

Comme preuve de concept, l'équipe a montré un réglage de fréquence avec un processeur Falcon de 27 qubits pour prédire les cibles de fréquence. Ils ont basé la série de puces Falcon sur un réseau hexagonal lourd et ont effectué toutes les mesures dans des conditions ambiantes pour obtenir des fréquences accordées. Les scientifiques ont évité les collisions avec le voisin le plus proche avec une tolérance de collision deux fois supérieure pour améliorer le rendement des puces par rapport à l'hybridation à deux qubits. En plus d'éviter les collisions, l'équipe a réglé toutes les cibles pour empêcher la relaxation radiative des qubits. Après avoir terminé le processus LASIQ, ils ont refroidi le processeur quantique et examiné la cohérence et la fidélité de la porte à un ou deux qubits, ainsi que l'évaluation du volume quantique.

Les scientifiques ont abordé les limites de la précision de réglage LASIQ comme des limites du processus lui-même. Par exemple, lorsque Zhang et al ont analysé un large échantillon de 390 qubits réglés, 349 d'entre eux ont pu être réglés avec succès pour atteindre un taux de réussite de réglage de 89,5 % au cours de l'expérience. Le travail a montré comment LASIQ a fourni un processus de découpage post-fabrication viable pour la mise à l'échelle à haut rendement des processeurs transmon à fréquence fixe. Le résultat offre plus d'espace pour améliorer les prédictions de fréquence afin d'atteindre une plus grande précision de réglage.

Précision d'assignation de fréquence basée sur des agrégats statistiques de processeurs Falcon 27 qubits et Hummingbird 65 qubits accordés. (A) Résistance (Rn) à la corrélation de fréquence (f01) pour un processeur Hummingbird accordé. Les mesures cryogéniques de f01 sont tracées par rapport aux résistances de jonction mesurées Rn, avec une courbe de loi de puissance superposée aux données mesurées. Les qubits accordés (49 qubits) et non accordés (16) sont représentés. L'encart montre un histogramme des résidus avec un SD de 18,6 MHz, indiquant la précision pratique à laquelle nous pouvons attribuer des fréquences qubit. (B) Le panneau supérieur montre une analyse de précision statistique effectuée pour un total de 241 qubits réglés à partir d'une combinaison de puces Falcon et Hummingbird, avec des résidus f01 agrégés provenant de régressions de loi de puissance individuelles pour chaque puce. Le panneau inférieur montre une analyse identique effectuée pour 117 qubits non accordés des deux familles de processeurs. Les mesures cryogéniques de f01 donnent une propagation de 18,5 et 18,1 MHz pour les qubits accordés et non accordés, respectivement, ce qui indique que le processus LASIQ n'affecte pas de manière significative la propagation globale des fréquences qubit avant les processus préparatoires de nettoyage, de liaison et de refroidissement des puces. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abi6690
Impact du réglage LASIQ sur la relaxation qubit (T1, rouge) et le déphasage (T2, bleu), à l'aide de processeurs Hummingbird composites (partiellement réglés). Les cohérences Qubit sur quatre puces Hummingbird sont analysées. Sur chaque puce, les qubits non accordés et accordés ont été mesurés simultanément, pour un échantillon statistique total de 59 qubits non accordés et 162 qubits accordés. (A) Boîtes à moustaches des distributions T1 et T2 (avec plage de boîtes interquartiles, moustaches de 10 à 90 %, valeurs aberrantes de 1 à 99 % indiquées par des croix et minima/maxima par des marqueurs horizontaux). Les distributions de cohérence ne montrent aucune différence statistiquement significative entre les populations de qubit non réglées et celles réglées par LASIQ. (B) Illustre cette comparaison sous la forme d'un graphique quantile-quantile (QQ) des distributions T1 et T2. Chaque point représente une comparaison entre les quantiles estimés de l'ensemble de 59 qubits non accordés et les quantiles interpolés des 162 qubits accordés. Une bonne linéarité par rapport à la pente unitaire indique une correspondance étroite des distributions de cohérence dans les populations de qubits accordées et non accordées. Les valeurs moyennes concordent de manière robuste dans les limites d'erreur statistique. Pour les qubits accordés (non accordés), 〈T1〉 =80 ± 16 μs (76 ± 15 μs) et 〈T2〉 =68 ± 25 μs (70 ± 26 μs). Les ovales ombrés sont centrés sur les temps de cohérence moyens et ont une étendue 1-σ dans les temps de relaxation et de déphasage. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abi6690

Cohérence Qubit et fidélité de porte

Afin de déterminer l'effet du réglage laser sur la cohérence des qubits (une propriété unique d'un système quantique), les scientifiques ont utilisé un ensemble composite de quatre processeurs Hummingbird refroidis et ont augmenté leur cohérence. Ils ont observé une bonne correspondance, indiquant un effet négligeable du processus LASIQ sur la cohérence des qubits. Comme démonstration pratique des capacités de réglage de LASIQ, Zhang et al ont réglé au laser un processeur Hummingbird de 65 qubits, accessible de manière opérationnelle dans le cloud en tant que ibmq_manhattan. Ils ont généré le plan de réglage LASIQ en évitant les dégénérescences au niveau du voisin le plus proche, tout en maintenant la séparation des niveaux dans le régime de chevauchement. Les scientifiques ont refroidi le processeur de 65 qubits après le LASIQ et mesuré les fréquences des qubits avec la densité de désaccord de fréquence entre les paires de portes à deux qubits. Les résultats ont généré un rendement de 100 % de portes fonctionnelles à deux qubits. Des travaux supplémentaires détermineront les contraintes de collision exactes et identifieront des régimes de réglage haute fidélité avec des tailles de réseau progressivement augmentées.

Erreurs de porte d'un processeur Hummingbird 65 qubits après réglage LASIQ. (A) Distribution de la séparation f01 à deux qubits accordée (orange), ainsi que la distribution initiale (pré-LASIQ) (bleu), indiquant une densité élevée de collisions et d'erreurs de porte avant le réglage LASIQ. (B) Atteint la distribution ZZ après le réglage LASIQ, indiquant une séparation bien adaptée près d'un désaccord nul (collision NN de type 1), tout en maintenant une propagation ZZ serrée avec une médiane de 69 kHz. Un estimateur de densité par noyau (KDE) est utilisé pour calculer la densité de probabilité ZZ (à droite). (C) Erreurs de porte CNOT (Controlled NOT) mesurées en fonction du désaccord à deux qubits (points orange), donnant une fidélité de porte médiane de 98,7 % pour le Hummingbird réglé par LASIQ (la distribution KDE correspondante des erreurs de porte est indiquée sur le panneau de droite). Les régions ombrées (grises) indiquent des projections approximatives de taux d'erreur basées sur la modélisation d'erreur de porte CR (35), incorporant des paramètres d'interaction qubit typiques (fréquence et anharmonicité, couplage de qubit et temps de porte), avec des impulsions d'écho rotatif en option pour minimiser les erreurs. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abi6690

Perspectives

De cette manière, Adam J. Zhang et ses collègues ont obtenu une amélioration significative du rendement et des fidélités de porte élevées à deux qubits pour les types de processeurs quantiques IBM Falcon et Hummingbird. Sur la base des résultats, ils ont mis en évidence l'influence du LASIQ, le recuit laser de qubits stochastiquement altérés ; une méthode de réglage de fréquence post-fabrication affective. La méthode peut être appliquée à des processus multi-qubits basés sur des architectures transmon à fréquence fixe. La méthode offre une solution évolutive au problème de l'encombrement des fréquences, avec une adaptabilité à l'échelle des qubits dans des processeurs quantiques de plus en plus grands. Les travaux futurs comprendront des plans de réglage pour minimiser les erreurs de collisions proches du voisin et les collisions avec les spectateurs pour un rendement maximisé. + Explorer plus loin