En computació quàntica, el fluxoni és un tipus d'arquitectura de qubit superconductor utilitzada per a la computació quàntica basada en portes que és insensible al soroll de càrrega compensada. Està construït a partir d'una unió Josephson, un condensador i un "superinductor" (un tipus d'inductor) disposats en un bucle.
El fluxoni va ser proposat per primera vegada com a candidat a qubit per un grup experimental de la Universitat Yale dirigit per Michel Devoret el 2009. És un qubit semblant a un flux, és a dir, que els seus nivells d'energia corresponen a nombres enters d'estats de flux/fase magnètics. Aquesta arquitectura té temps de coherència llargs i una alta anharmonicitat (o no linealitat), ambdues importants per a arquitectures de qubit reeixides. Canviant els valors relatius dels diferents components del circuit, els fluxoni es poden dissenyar per tenir altres propietats, com ara la resistència al soroll. Tanmateix, el disseny requereix mètodes de fabricació complexos i, per tant, és difícil d'escalar. miniatura|Bucle superconductor de fluxoni que consisteix en un conjunt de unions Josephson d'àrea més gran i una unió Josephson d'àrea més petita, tal com es mostra amb un microscopi electrònic. Imatge superior dreta: components del circuit de fluxoni. A baix a la dreta: una unió Josephson d'àrea més petita. L'arquitectura del fluxoni ha aconseguit una de les coherències més fortes per a qualsevol qubit superconductor d'estat sòlid, amb temps de coherència de mil·lisegons. Els fluxoni són un candidat per a un qubit en un processador quàntic, amb algunes empreses com D-Wave, Atlantic Quantum i Qilimanjaro centrades específicament en el desenvolupament de maquinari de computació quàntica basat en fluxoni.
Rerefons Els primers qubits superconductors reeixits van ser els qubits de càrrega, també coneguts com a caixes Cooper. Aquests dissenys consistien en una petita illa superconductora connectada a un reservori de parells Cooper per una unió Josephson. Patien de ser extremadament sensibles al soroll de càrrega, cosa que limitava els seus temps de coherència. Per combatre aquest problema, més tard es va introduir l'arquitectura transmon, que incloïa un condensador de derivació en un bucle amb el disseny inicial del qubit de càrrega. En aquest règim, , que va aplanar les bandes d'energia de manera que el soroll de càrrega es va suprimir exponencialment. Tanmateix, el transmó pateix de baixa anharmonicitat, decaïment de Purcell i fuites.
El dispositiu fluxoni es va desenvolupar per mitigar aquests reptes incorporant un inductor de derivació i ajustant el circuit a un punt de polarització de flux específic. Aquesta arquitectura permet que el dispositiu sigui insensible al soroll de càrrega "de desplaçament", un tipus de soroll causat per fluctuacions aleatòries del camp elèctric i que desplaça la freqüència ressonant del sistema. Per ser insensible al soroll de càrrega, el fluxoni utilitza un "superinductor" com a element de derivació, que és una matriu de diverses unions Josephson i que explota la inductància cinètica d'un superconductor. Això connecta a terra eficaçment el grau de llibertat de càrrega. Com a resultat, els qubits de fluxoni són més resistents a la pèrdua d'informació i al soroll que les arquitectures tradicionals. Tanmateix, el gran nombre d'unions de matriu introdueix una complexitat significativament més gran al circuit en comparació amb els qubits de flux, cosa que representa un repte per als fluxoni a escala.
Operació El fluxoni opera en règim de flux en lloc de règim de càrrega. Això vol dir que és una mena de qubit de flux, els nivells d'energia corresponen a diferents nombres enters de quanta de flux magnètic (en lloc de càrrega elèctrica). El fluxoni és inherentment regulable en flux, és a dir, que aplicant flux magnètic, és possible modular contínuament els nivells d'energia del sistema (freqüències ressonants).
Hamiltonià En un fluxoni, la unió i la inductància formen un bucle superconductor que després pot ser polaritzat per un flux magnètic extern. L'hamiltonià per a aquest sistema és:
on és l'energia de Josephson; és l'energia de càrrega de la capacitància total; és l'energia inductiva del superinductor; és l'operador de nombres de parells de Cooper i és la fase superconductora a través de la unió Josephson.
El terme d'energia inductiva gran, , prové del superinductor. El terme Josephson inclou un desplaçament de flux, , demostrant que les propietats del fluxoni depenen fortament del flux. L'ajust del flux canvia la forma del potencial i la sensibilitat al soroll de flux, per la qual cosa cal triar un bon punt de funcionament per al fluxoni.
El punt de funcionament més comú és el punt de mig flux perquè és insensible al soroll de flux de primer ordre. Les funcions d'ona en aquest punt de polarització són pous dobles simètrics. Exactament en aquest punt, hi ha coherència màxima i protecció contra el soroll de flux, ja que ho és, ja que és insensible a aquest de primer ordre. En aquest punt de polarització extern, el fluxoni té una freqüència ressonant entre 100 MHz i 1 GHz, i pot tenir un temps de relaxació de més d'1 ms. El punt de funcionament més comú és el punt de mig flux
perquè és insensible al soroll de flux de primer ordre. Les funcions d'ona en aquest punt de polarització són pous dobles simètrics. Exactament en aquest punt, hi ha coherència màxima i protecció contra el soroll de flux, ja que ho és, ja que és insensible a aquest de primer ordre. En aquest punt de polarització extern, el fluxoni té una freqüència ressonant entre 100 MHz i 1 GHz, i pot tenir un temps de relaxació de més d'1 ms.
En aquest punt operatiu, el canvi dispersiu pot ser molt petit, per la qual cosa una estratègia és desviar-se lleugerament de per a la lectura.
Portes d'un sol qubit Les portes d'un sol qubit que utilitzen fluxonis tenen una fidelitat d'un sol qubit de fins al 99,998 per cent. Aquesta és la fidelitat més alta per a qualsevol qubit superconductor.
Els errors de contrarotació, causats per impulsors forts i polaritzats linealment, tradicionalment representen un problema per a les portes de fluxoni d'un sol qubit d'alta fidelitat. L'aplicació d'un pols en els moments correctes pot fer que els errors de contrarotació siguin consistents d'un pols a l'altre i suprimir aquesta font d'error.
Freqüència de funcionament El soroll dielèctric en qubits superconductors creix amb la freqüència. L'arquitectura de qubits transmon estàndard de la indústria té una freqüència de funcionament de 4-5 GHz. Tanmateix, els fluxonis tenen una freqüència de funcionament de 0,1–1 GHz. Operar a aquestes freqüències més baixes redueix el soroll dielèctric. Tanmateix, operar a freqüències més baixes normalment significa temps de porta més lents.
Portes de dos qubits Les portes de dos qubits són operacions que actuen sobre parells de qubits. Demostrar portes de dos qubits d'alta fidelitat és un pas important cap a un processador quàntic viable. La seva implementació és un tema de recerca en curs en la computació quàntica superconductora.
Acoblament capacitiu Les portes de dos qubits entre qubits superconductors generalment es basen en un acoblament capacitiu. Tanmateix, l'acoblament capacitiu directe entre fluxonis provoca taxes d'entrellaçament no desitjades (error ZZ) i un augment dels errors de porta.
Arquitectura de fluxoni-transmon-fluxoni (FTF) Una arquitectura alternativa per a portes de dos qubits de fluxoni-fluxoni està mediada per acobladors de transmons. Això es coneix com a FTF, de fluxoni-transmon-fluxoni. L'FTF aborda els problemes d'acoblar directament fluxonis mitjançant estats no computacionals per permetre acoblaments més forts, alhora que suprimeix la taxa d'entrellaçament de fase controlada estàtica (ZZ).
Referències
Categoria:Mecànica quàntica