Rinnakkaiskontrolli pitää silikonispin-qubitit tarkkoina

Heti kun yrität saada useita kubitteja toimimaan yhdessä, tarkkuus alkaa kärsiä. Pienet vaihesiirtymät hiipivät sisään. Pienet virheet moninkertaistuvat. RIKENin ja sen yhteistyökumppaneiden tiimi on kuitenkin löytänyt käytännöllisen tavan pitää silikonin spin-qubitit tarkkoina myös silloin, kun useita ohjataan samanaikaisesti, mikä vie silikonipohjaisia kvanttiprosessoreita lähemmäs käytännön mittakaavaa.

Silikonipohjaiset kvanttitietokoneet voisivat hyötyä läpimurrosta, joka sallii useiden kubittien ohjauksen ilman tarkkuuden menettämistä.

Miksi rinnakkaiskontrolli on tärkeää

Kvanttibittit eli kubitit tekevät asioita, joihin klassiset bitit eivät pysty: ne ylläpitävät superpositioita ja voivat lomittua, jolloin tietokoneet voivat tutkia monia vaihtoehtoja samanaikaisesti. Mutta etu katoaa, jos niitä manipuloivat operaatiot eivät ole luotettavia. Todelliset kvanttitehtävät vaativat monia portteja toimimaan rinnakkain. Silloin ohjausarkkitehtuuri ratkaisee, erityisesti kun halutaan rakentaa piille, materiaalille joka on modernin mikroelektroniikan perusta.

Silikonin spin-kubitit koodaavat informaation elektronin spin-tilaan, joka on rajoittunut piilaitteeseen. Insinöörit liikuttavat näitä spinejä mikroaaltopulssien avulla suorittaakseen kvanttiportteja. Ilmeinen skaalausniksi on jakaa ohjauslinjat useiden kubittien kesken sen sijaan, että jokaiselle annettaisiin oma, kallis linja. Jaetut linjat säästävät johtoja, vähentävät sirun monimutkaisuutta ja sopivat puolijohdetuotannon käytäntöihin, mutta ne myös aiheuttavat risti-vaikutuksia, jotka voivat heikentää fideliteettiä, kun useita kubitteja ajetaan yhtä aikaa.

Miten tiimi ratkaisi ongelman

Käyttämällä viittä silikonin spin-kubittia, jotka oli osoitettu yhdestä mikroaaltosyötöstä, tutkijat viilsivät laitedesignia ja pulssimuotoilua äärimmäiseen tarkkuuteen. Yksittäisinä kukin kubitti saavutti yksittäisporttien fideliteetin selvästi yli 99,99 prosenttia, ja paras suoriutuja hipoi noin 99,999 prosenttia. Nuo lukemat sijoittuvat jo monien virheensietostrategioiden vaatimalle alueelle.

Mutta luvut muuttuvat, kun kubitit toimivat yhdessä. Kun kahta tai kolmea kubittia ohjattiin yhtä aikaa, tiimin kalibrointiprotokolla piti fideliteetit yli 99,99 prosentin. Kun kaikki viisi ajettiin samanaikaisesti, fideliteetit laskivat noin 99,9 prosenttiin, mikä on yhä lähellä käytännöllisiä kynnysarvoja virheenkorjatun laskennan kannalta, mutta osoittaa uusia virheratoja, joita täytyy käsitellä.

Pääasialliseksi syylliseksi osoittautui AC Stark -siirtymä: mikroaaltokentät muuttavat hieman lähellä olevien kubittien efektiivisiä energiatasoja, jolloin niiden kvanttivaihe poikkeaa tarkoitetusta arvosta. Vaihe on tärkeä, koska kvanttioperaatiot riippuvat tilassa olevien aaltomaisten komponenttien tarkasta kohdistuksesta. Jos näitä siirtymiä ei kompensoida, ne johtavat virheellisiin porttituloksiin.

Parikalibrointi: yksinkertainen ja skaalaantuva korjaus

Sen sijaan, että kalibroitaisiin kaikki mahdolliset monikubit-yhdistelmät, mikä muuttuu mahdottomaksi kubittien määrän kasvaessa, tiimi kehitti parikalibrointimenetelmän. Yi-Hsien Wu, joka johti koetta tohtorityössään, selitti, että menetelmä mittaa parien väliset vaihesiirtymät ja rakentaa korjauskartan näistä parivaikutuksista.

Ajattele sitä duettojen virityksenä sen sijaan, että virittäisit jokaisen mahdollisen kuoron. Korjaa kukin pari, ja kokonaisuus pysyy vireessä ilman kaikkien permutaatioiden mittaamista. Tulos: robusti rinnakkaiskontrolli huomattavasti vähemmillä kalibrointivaiheilla, mikä tekee jaetusta linjasta käytännöllisemmän suuremmissa verkoissa.

"Käsittelemällä parikalibroinnilla tärkeää ohjausvirheiden lähdettä," sanoo Leon Camenzind, joka valvoi kokeita, "tutkimuksemme tukee jaettujen ohjauslinjojen käyttöä käytännöllisenä ratkaisuna kvanttiprosessoreiden skaalaamiseen."

Seigo Tarucha, JST Moonshot -hankkeen projektijohtaja, lisää, että luotettava rinnakkaiskontrolli on keskeinen virstanpylväs kohti virheensietävää silikonikvanttitietokonetta.

Jäljellä olevat rajoitteet ja etenemispolut

Kaikki virheet eivät johtuneet vaihesiirtymistä. Tiimi tunnisti ajurin aiheuttaman dekoherenssin toiseksi tekijäksi: suuremman mikroaaltotehon käyttö useiden kubittien samanaikaiseen ohjaukseen lisää ei-toivottuja vuorovaikutuksia ympäristön kanssa ja lyhentää koherenssiaikoja. Tämä vaikutus on eri ilmiö kuin AC Stark -vaihesiirtymä ja vaatii laitteisto- ja suunnittelukorjauksia sen lieventämiseksi.

Mahdollisia korjauksia ovat muun muassa laitemuodon hienosäätö, ohjauslinjojen parempi eristys, pulssimuotoilu joka minimoi poisresonanssisen eksitaation, sekä materiaalivalinnat tai jäähdytysstrategiat jotka vähentävät altistumista ohjauskohinalle. Kukin vaihtoehto vaihtaa monimutkaisuuden ja suorituskyvyn välillä, mutta parikalibrointi vähentää ohjelmistopuolen kuormitusta merkittävästi.

Renderöity kuvaus viidestä silikonin spin-kubitista, joita ohjataan rinnakkain jaetun mikroaaltolinjan kautta.

Asiantuntijan näkökulma

Tohtori Maya Rodriguez, kvanttisysteemien insinööri, jolla on pitkä kokemus kubittien ohjauksesta, kommentoi: "Tämän työn kiinnostavuus perustuu sen tasapainoon käytännöllisyyden ja suorituskyvyn välillä. Jaetut ohjauslinjat eivät ole teoreettinen kuriositeetti; ne ovat insinöörintarve, jos halutaan miljoonakubittisia laitteita. Parikalibrointistrategia antaa skaalaavuutta ilman kalibrointiajan räjähdystä."

Hän lisää, että vaikka voimakkaampien ohjauskenttien aiheuttama dekoherenssi on vaikea raja, askelittaiset parannukset pulssitekniikassa ja laiteasettelussa usein kertautuvat: pienet parannukset koherenssissa ja ohjausfideliteetissa avaavat ovet monimutkaisemmille virheenkorjauskerroksille tulevaisuudessa.

Johtopäätös

RIKENin tiimin koe osoittaa, että silikonin spin-kubitit voivat säilyttää poikkeuksellisen korkean yksittäisten kubittien fideliteetin jopa rinnakkaisohjauksen alla, ja että kohdennettu parikalibrointiprotokolla voi kompensoida merkittävän virhelähteen, AC Stark -siirtymän. Jäljellä olevat haasteet, erityisesti ajurin aiheuttama dekoherenssi, viittaavat laitteisto- ja materiaaliparannuksiin. Nämä edistysaskeleet pitävät silikonia ehdolla skaalaavien kvanttiprosessorien materiaaliksi, joka hyödyntää olemassa olevaa puolijohdeteollisuuden osaamista.