Uusi unimon-kubitti saattaa tehdä kvanttitietokoneista hyödyllisiä

Suprajohtavat kubitit ovat edelläkävijöitä kaikkien erilaisten lähestymistapojen joukossa hyödyllisten kvanttitietokoneiden rakentamiseen. Tällä hetkellä käytetyt kubittityypit ja tekniikat eivät kuitenkaan vielä tarjoa tarpeeksi korkeaa suorituskykyä käytännön sovelluksiin. Meneillään olevalla kohinan rajoittamien kvanttitietokoneiden aikakaudella kvanttilaskutoimitusten pituutta rajoittavat enimmäkseen virheet yhden ja kahden kubitin kvanttiporteissa. Kvanttilaskutoimituksista on tehtävä tarkempia ollakseen hyödyllisiä.

”Tavoitteenamme on rakentaa kvanttitietokoneita, jotka antavat etua käytännön ongelmien ratkaisemisessa. Tämänpäiväinen ilmoituksemme on tärkeä virstanpylväs IQM:lle ja myös merkittävä saavutus parempien suprajohtavien kvanttitietokoneiden rakentamisessa”, sanoo tutkimusta johtanut professori Mikko Möttönen.

Nyt tutkijat ovat kehittäneet uuden suprajohtavan kubittityypin, unimonin, joka yhdistää monet halutut ominaisuudet, kuten lisääntyneen epälineaarisuuden, täydellisen epäherkkyyden hitaalle jännitekohinalle, vähentyneen herkkyyden magneettiselle kohinalle ja yksinkertaisen rakenteen, joka koostuu vain yhdestä Josephsonin liitoksesta sähköisessä värähtelijässä. Tiimin saavuttama tarkkuus 13 nanosekunnin mittaisille yhden kubitin porteille vaihteli 99.8 %:n ja 99.9 %:n välillä kolmella eri unimonilla.

"Koska unimonilla on suurempi anharmonisuus eli epälineaarisuus kuin transmoneissa, voimme tehdä sillä nopeampia logiikkaoperaatioita, mikä luo pohjan virheiden määrän vähentämiseen operaatiota kohden", selittää Eric Hyyppä, joka tekee väitöskirjatutkimustaan IQM:ssä.

Demonstroidakseen unimonin kokeellisesti tutkijat suunnittelivat ja valmistivat siruja, joista jokainen koostui kolmesta unimon-kubitista. He käyttivät niobiumia suprajohtavana materiaalina lukuun ottamatta Josephsonin liitoksia, joissa suprajohtavat johtimet valmistettiin alumiinista.

"Haluan kiittää ja onnitella Ericiä ja muita tiimin jäseniä, jotka työskentelivät väsymättä tämän suuren saavutuksen eteen", sanoo prof. Möttönen.

Tiimin mittausten perusteella unimon-kubitilla on suhteellisen korkea epälineaarisuus, vaikka se koostuu vain yhdestä Josephsonin liitoksesta ilman superinduktanssia ja antaa silti suojausta virheitä aiheuttavaa kohinaa vastaan. Unimonin puhtaasti geometrisella induktanssilla on mahdollista saavuttaa parempi ennustettavuus ja toistettavuus kuin aiemmin käytössä olleilla liitosketjuihin perustuvilla superinduktansseilla.

”Unimonit ovat niin yksinkertaisia ​​ja silti niillä on monia etuja transmoneihin verrattuna. Se tosiasia, että ensimmäinen koskaan tehty unimon toimi näin hyvin, antaa runsaasti tilaa optimoinnille ja suurille läpimurroille. Seuraavaksi meidän pitäisi optimoida kubitin geometriaa, jotta voisimme parantaa entisestään kubitin suojausta kohinaa vastaan ja toteuttaa kahden kubitin operaatioita”, tuumaa prof. Möttönen.

IQM:n kaupalliset kvanttitietokoneet käyttävät vielä toistaiseksi transmon-kubitteja. Näin IQM toimittaa asiakkailleen paikan päälle kvanttitietokoneita ja on esimerkiksi rakentamassa Suomen ensimmäistä 54 kubitin kvanttitietokonetta yhdessä VTT:n kanssa. Lisäksi IQM-vetoinen konsortio Q-Exa on rakentamassa Saksassa 20 kubitin kvanttitietokonetta, joka integroidaan supertietokoneeseen. Nyt keksitty unimon on vaihtoehtoinen kubitti, joka voi mahdollistaa kvanttilaskennan tarkkuuden parantamisen tulevaisuudessa.

"Lisäparannukset kubitin geometriaan, materiaaleihin ja operaatioiden nopeuteen voivat johtaa 99,99 %:n tarkkuuden rajapyykin rikkomiseen ja näin ehkä mahdollistaa kvanttihyödyn käytännön ongelmissa sekä tehokkaan kvanttivirheiden korjauksen. Tämä on erittäin jännittävä päivä kvanttitietokoneille!” iloitsee prof. Möttönen.