Karakterisering en modellering van de kwantum-klassieke interface voor schaalbare supergeleidende kwantumcomputers

Quantumcomputing belooft complexe berekeningen op te lossen die onoplosbaar zijn voor klassieke computers. Tot op heden is de meest geavanceerde solid-state implementatie van een qubit (of een systeem van qubits) gerealiseerd met supergeleidende circuits gerangschikt in de zogenaamde circuit-Quantum-Electro-Dynamics (cQED)-architectuur. Hoewel deze technologie zich heeft bewezen voor de implementatie van basis quantumalgoritmen, brengt het unieke uitdagingen met zich mee in termen van de integratie van een groot (miljoenen) aantal qubits, noodzakelijk voor foutcorrectie. De belangrijkste doelstellingen van dit onderzoek zijn om de interface tussen klassieke besturingselektronica en supergeleidende quantumprocessors te verbeteren en een schaalbare oplossing te bieden om de prestaties van deze quantumprocessors te verbeteren.

Het onderzoek introduceert twee belangrijke bijdragen. Ten eerste ontwikkelt het een equivalent circuitmodel dat de gezamenlijke simulatie van supergeleidende qubits met klassieke besturingselektronica mogelijk maakt. Dit model maakt een gedetailleerde analyse van het gedrag van supergeleidende qubits die interageren met supergeleidende resonatoren mogelijk en houdt rekening met verschillende factoren zoals samenhangende besturing, uitlezing en de impact van niet-idealiteiten zoals ontspanning en decoherentie. Deze modellering is essentieel voor het ontwerpen, optimaliseren en schalen van supergeleidende quantumprocessors.

Ten tweede onderzoekt het onderzoek de integratie van radiofrequentie (RF) multiplexers gebaseerd op complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologie in de nabijheid van supergeleidende qubits. Deze multiplexers werken bij extreem lage temperaturen (onder 15 mK) en zijn ontworpen om de kruiskoppeling tussen elektronische en thermische ruis te minimaliseren. De resultaten tonen aan dat deze multiplexers een minimale invloed hebben op de prestaties van de qubit, waarbij hoge poortbetrouwbaarheid wordt gehandhaafd, met een percentage van meer dan 99,9% voor enkelqubitpoorten, wat voldoet aan de drempelwaarde voor foutcorrectie op basis van het oppervlaktecode quantum. Het onderzoek toont ook het potentieel van tijdsverdeling multiplexing voor tweequbitbewerkingen met behulp van een enkele besturingslijn.

Dit onderzoek draagt aanzienlijk bij aan de praktische en schaalbare implementatie van supergeleidende quantumcomputerarchitecturen. Het behandelt cruciale uitdagingen met betrekking tot de quantum-klassieke interface en biedt een innovatieve oplossing voor het verbeteren van de prestaties van supergeleidende qubits. Deze vooruitgang heeft het potentieel om de ontwikkeling van praktische quantumcomputers te versnellen en het veld van quantum informatieverwerking verder te brengen.