Transmón

Implementación de qubit superconductor

En la computación cuántica , y más específicamente en la computación cuántica superconductora , un transmon es un tipo de qubit de carga superconductor diseñado para tener una sensibilidad reducida al ruido de carga. El transmon fue desarrollado por Robert J. Schoelkopf , Michel Devoret , Steven M. Girvin y sus colegas de la Universidad de Yale en 2007. ^{[1] [2]} Su nombre es una abreviatura del término qubit de oscilación de plasma con derivación de línea de transmisión ; uno que consiste en una caja de pares de Cooper "donde los dos superconductores también están desviados [capacitivamente] para disminuir la sensibilidad al ruido de carga, manteniendo al mismo tiempo una anarmonicidad suficiente para el control selectivo de qubits". ^[3]

Un dispositivo que consta de cuatro qubits transmon, cuatro buses cuánticos y cuatro resonadores de lectura fabricados por IBM y publicado en npj Quantum Information en enero de 2017. ^[4]

El transmon logra su sensibilidad reducida al ruido de carga aumentando significativamente la relación entre la energía de Josephson y la energía de carga. Esto se logra mediante el uso de un condensador de derivación grande. El resultado son espaciamientos de niveles de energía que son aproximadamente independientes de la carga compensada. Los qubits transmon planos en chip tienen tiempos de coherencia T 1 de aproximadamente 30 μs a 40 μs. ^{[5] Un trabajo reciente ha demostrado} una T ₁ significativamente mejorada, de hasta 95 μs, al reemplazar la cavidad de la línea de transmisión superconductora con una cavidad superconductora tridimensional, ^{[6] [7]} y al reemplazar el niobio con tantalio en el dispositivo transmon, T ₁ se mejora aún más hasta 0,3 ms. ^[8] Estos resultados demuestran que los tiempos T ₁ anteriores no estaban limitados por las pérdidas en la unión Josephson . Comprender los límites fundamentales del tiempo de coherencia en qubits superconductores como el transmon es un área activa de investigación.

Comparación con la caja Cooper-pair

Energías propias (primeros tres niveles ) del qubit hamiltoniano en función de la carga de compensación efectiva para diferentes proporciones . Las energías se dan en unidades de energía de transición , evaluadas en el punto de degeneración . El punto cero de energía se elige como el fondo del nivel. El qubit de carga (pequeño , superior) normalmente funciona en el "punto óptimo", donde las fluctuaciones causan menos cambio de energía y la anarmonicidad es máxima. Los niveles de energía de Transmon (grande , inferior) son insensibles a las fluctuaciones, pero la anarmonicidad se reduce. ${\displaystyle E_{m}}$ ${\displaystyle m=0,1,2}$ ${\displaystyle n_{g}}$ ${\displaystyle E_{J}/E_{c}}$ ${\displaystyle E_{01}}$ ${\displaystyle n_{g}=0.5}$ ${\displaystyle m=0}$ ${\displaystyle E_{J}/E_{c}}$ ${\displaystyle n_{g}=0.5}$ ${\displaystyle E_{J}/E_{c}}$

El diseño transmon es similar al primer diseño del qubit de carga ^[9] conocido como "caja de pares de Cooper"; ambos están descritos por el mismo hamiltoniano, siendo la única diferencia la relación. Aquí está la energía de Josephson de la unión y es la energía de carga inversamente proporcional a la capacitancia total del circuito del qubit. Los transmons suelen tener (mientras que los qubits típicos de caja de pares de Cooper), lo que se logra desviando la unión Josephson con un condensador grande adicional . ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$ ${\displaystyle E_{\rm {J}}}$ ${\displaystyle E_{\rm {C}}}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\gg 1}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\lesssim 1}$

El beneficio de aumentar la relación es la insensibilidad al ruido de carga: los niveles de energía se vuelven independientes de la carga compensada a través de la unión; por tanto, se prolonga el tiempo de desfase del qubit. La desventaja es la anarmonicidad reducida , donde está la diferencia de energía entre estados propios y . La anarmonicidad reducida complica el funcionamiento del dispositivo como un sistema de dos niveles; por ejemplo, excitar el dispositivo desde el estado fundamental al primer estado excitado mediante un pulso resonante también puebla el estado excitado superior. Esta complicación se supera mediante un complejo diseño de pulsos de microondas, que tiene en cuenta los niveles de energía más altos y prohíbe su excitación mediante interferencias destructivas. Además, mientras que la variación de con respecto a tiende a disminuir exponencialmente con , la anarmonicidad solo tiene una dependencia algebraica más débil con as . La ganancia significativa en el tiempo de coherencia compensa la disminución en la anarmonicidad para controlar los estados con alta fidelidad. ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$ ${\displaystyle n_{g}}$ ${\displaystyle \alpha =(E_{21}-E_{10})/E_{10}}$ ${\displaystyle E_{ij}}$ ${\displaystyle |i\rangle }$ ${\displaystyle |j\rangle }$ ${\displaystyle E_{10}}$ ${\displaystyle n_{g}}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}$ ${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}$ ${\displaystyle \sim (E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} })^{-1/2}}$

La medición, control y acoplamiento de transmones se realiza mediante resonadores de microondas con técnicas de electrodinámica cuántica de circuitos también aplicables a otros qubits superconductores . El acoplamiento a los resonadores se realiza colocando un condensador entre el qubit y el resonador, en un punto donde el campo electromagnético del resonador es mayor. Por ejemplo, en los dispositivos IBM Quantum Experience , los resonadores se implementan con guías de ondas coplanares de "cuarto de onda" con un campo máximo en la señal-tierra corta en el extremo de la guía de ondas; por lo tanto, cada qubit transmon de IBM tiene una "cola" de resonador larga. La propuesta inicial incluía resonadores de líneas de transmisión similares acoplados a cada transmon, convirtiéndose en parte del nombre. Sin embargo, los qubits de carga que funcionan en un régimen similar , acoplados a diferentes tipos de cavidades de microondas, también se denominan transmones. ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$

Transmons como qudits

Se han explorado los transmones para su uso como qudits d -dimensionales a través de los niveles de energía adicionales que ocurren naturalmente sobre el subespacio de qubit (los dos estados más bajos). Por ejemplo, los tres niveles más bajos se pueden usar para hacer un qutrit transmon ; A principios de la década de 2020, los investigadores informaron sobre la realización de puertas cuánticas de un solo qutrit en transmones ^{[10] [11],} así como puertas entrelazadas de dos qutrit. ^[12] Las puertas entrelazadas en transmones también se han explorado teóricamente y en simulaciones para el caso general de qudits de d arbitrario . ^[13]

Ver también

• cúbit de carga
• Anarmonicidad
• Electrodinámica cuántica de circuitos (cQED)
• Refrigerador de dilución
• Lista de procesadores cuánticos
• Oscilador armónico cuántico
• Computación cuántica superconductora

Referencias

1. Koch, Jens; Yu, Terri M.; Gambetta, Jay; Houck, AA; Schuster, DI; Majer, J.; Blais, Alejandro; Devoret, MH; Girvin, SM; Schoelkopf, RJ (12 de octubre de 2007). "Diseño de qubit insensible a la carga derivado de la caja de pares de Cooper". Revisión física A. 76 (4): 042319. arXiv : cond-mat/0703002 . Código bibliográfico : 2007PhRvA..76d2319K. doi :10.1103/physreva.76.042319. ISSN  1050-2947. S2CID  53983107.
2. Schreier, JA; Houck, AA; Koch, Jens; Schuster, DI; Johnson, BR; et al. (12 de mayo de 2008). "Supresión de la decoherencia del ruido de carga en qubits de carga superconductora". Revisión física B. 77 (18). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 180402. arXiv : 0712.3581 . Código Bib : 2008PhRvB..77r0502S. doi : 10.1103/physrevb.77.180502. ISSN  1098-0121. S2CID  119181860.
3. Fink, Johannes M. (2010). No linealidades cuánticas en circuitos de acoplamiento fuerte QED (Ph.D.). ETH Zúrich .
4. Gambetta, Jay M.; Chow, Jerry M .; Steffen, Matías (13 de enero de 2017). "Construcción de qubits lógicos en un sistema informático cuántico superconductor". npj Información cuántica . 3 (1). Springer Science and Business Media LLC: 2. arXiv : 1510.04375 . Código Bib : 2017npjQI...3....2G. doi : 10.1038/s41534-016-0004-0 . ISSN  2056-6387. S2CID  118517248.
5. Barends, R.; Kelly, J.; Megrant, A.; Se hundió, D.; Jeffrey, E.; et al. (22 de agosto de 2013). "Coherente Josephson Qubit adecuado para circuitos integrados cuánticos escalables". Cartas de revisión física . 111 (8): 080502. arXiv : 1304.2322 . Código bibliográfico : 2013PhRvL.111h0502B. doi : 10.1103/physrevlett.111.080502. ISSN  0031-9007. PMID  24010421. S2CID  27081288.
6. Paik, Hanhee; Schuster, DI; Obispo, Lev S.; Kirchmair, G.; Catelani, G.; et al. (5 de diciembre de 2011). "Observación de alta coherencia en Qubits de unión de Josephson medidos en una arquitectura QED de circuito tridimensional". Cartas de revisión física . 107 (24): 240501. arXiv : 1105.4652 . Código bibliográfico : 2011PhRvL.107x0501P. doi : 10.1103/physrevlett.107.240501. ISSN  0031-9007. PMID  22242979. S2CID  19296685.
7. Rigetti, Chad; Gambetta, Jay M.; Poletto, Stefano; Plourde, BLT; Chow, Jerry M.; et al. (24 de septiembre de 2012). "Qubit superconductor en una cavidad de guía de ondas con un tiempo de coherencia cercano a 0,1 ms". Revisión física B. 86 (10). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 100506. arXiv : 1202.5533 . Código Bib : 2012PhRvB..86j0506R. doi : 10.1103/physrevb.86.100506. ISSN  1098-0121. S2CID  118702797.
8. Lugar, Alejandro PM; Rodgers, Lila VH; Mundada, Pranav; Smitham, albahaca M.; Fitzpatrick, Mattias; Leng, Zhaoqi; Premkumar, Anjali; Bryon, Jacob; Vrajitoarea, Andrei; Sussman, Sara; Cheng, Guangming; Madhavan, Trisha; Cava, Robert J.; de León, Nathalie ; Houck, Andrew A. (19 de marzo de 2021). "Nueva plataforma de material para qubits transmon superconductores con tiempos de coherencia superiores a 0,3 milisegundos". Comunicaciones de la naturaleza . 12 (1): 1779. arXiv : 2003.00024 . Código Bib : 2021NatCo..12.1779P. doi :10.1038/s41467-021-22030-5. ISSN  2041-1723. PMC 7979772 . PMID  33741989. 
9. Bouchiat, V.; Vion, D.; Joyez, P.; Esteve, D.; Devoret, MH (1998). "Coherencia cuántica con un solo par de Cooper". Escritura física . 1998 (T76): 165. Código bibliográfico : 1998PhST...76..165B. doi : 10.1238/Physica.Topical.076a00165. ISSN  1402-4896. S2CID  250887469.
10. Yurtalan, MA; Shi, J.; Kononenko, M.; Lupascu, A.; Ashhab, S. (27 de octubre de 2020). "Implementación de una puerta Walsh-Hadamard en un Qutrit superconductor". Cartas de revisión física . 125 (18): 180504. arXiv : 2003.04879 . Código Bib : 2020PhRvL.125r0504Y. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.180504. PMID  33196217. S2CID  128064435.
11. Morvan, A.; Ramasesh, VV; Blok, MS; Kreikebaum, JM; O'Brien, K.; Chen, L.; Mitchell, BK; Naik, RK; Santiago, DI; Siddiqi, I. (27 de mayo de 2021). "Evaluación comparativa aleatoria de Qutrit". Cartas de revisión física . 126 (21): 210504. arXiv : 2008.09134 . Código bibliográfico : 2021PhRvL.126u0504M. doi :10.1103/PhysRevLett.126.210504. hdl :1721.1/143809. PMID  34114846. S2CID  221246177.
12. Goss, Noé; Morvan, Alexis; Marinelli, Brian; Mitchell, Bradley K.; Nguyen, Long B.; Naik, Ravi K.; Chen, Larry; Jünger, Christian; Kreikebaum, Juan Marcos; Santiago, David I.; Wallman, Joel J.; Siddiqi, Irfan (5 de diciembre de 2022). "Puertas entrelazadas de qutrit de alta fidelidad para circuitos superconductores". Comunicaciones de la naturaleza . 13 (1): 7481. arXiv : 2206.07216 . Código Bib : 2022NatCo..13.7481G. doi :10.1038/s41467-022-34851-z. ISSN  2041-1723. PMC 9722686 . PMID  36470858. 
13. Fischer, Laurin E.; Chiesa, Alejandro; Tacchino, Francesco; Egger, Daniel J.; Carretta, Stefano; Tavernelli, Ivano (28 de agosto de 2023). "Síntesis de puerta universal Qudit para transmones". PRX Cuántico . 4 (3): 030327. arXiv : 2212.04496 . Código Bib : 2023PRXQ....4c0327F. doi :10.1103/PRXQuantum.4.030327. S2CID  254408561.