Les équipes interdisciplinaires de l'accélérateur de systèmes quantiques (QSA) utilisent des approches innovantes pour repousser les limites de la technologie de qubit supraconductrice, combler l'écart entre les systèmes quantiques à l'échelle intermédiaire NISQ actuels et les applications scientifiques à l'échelle intermédiaire bruyantes et les applications scientifiques impactantes.
Le QSA est l'un des cinq centres de recherche sur les sciences nationales de l'information quantique du Département de l'énergie des États-Unis (QIS), réunissant les principaux pionniers en sciences de l'information quantique (QIS) et en ingénierie dans 15 institutions partenaires.
Un qubit supraconducteur est fabriqué à partir de matériaux supraconducteurs tels que l'aluminium ou le niobium, qui présentent des effets quantiques lorsqu'ils sont refroidis à des températures très basses (généralement environ 20 millikelvins, ou -273,13 ° C). De nombreuses entreprises technologiques et équipes de recherche à travers les universités et les laboratoires nationaux tirent parti des qubits supraconducteurs pour l'informatique scientifique prototype dans ce domaine en croissance rapide.
Cependant, de nombreux défis dans le contrôle, l'étalonnage et l'exploitation des processeurs quantiques supraconducteurs entravent actuellement les performances du qubit et restreignent les types de simulations possibles, en particulier pour étudier les systèmes de matériaux complexes.
Simulation quantique avancée
Les équipes QSA du Massachusetts Institute of Technology et du MIT Lincoln Laboratory ont simulé comment les particules chargées se comportent sous des champs électromagnétiques synthétiques en utilisant des qubits supraconducteurs.
Publier leurs résultats à l'automne 2024 Physique de la naturel'équipe a développé un tableau bidimensionnel de 16 qubits transmones supraconducteurs disposés dans une grille 4 x 4. Ils ont modifié les propriétés des Qubits avec des signaux continus en utilisant des lignes de contrôle électrique indépendantes pour chaque qubit. Le comportement résultant de la grille de qubit émule un potentiel de vecteur magnétique, un concept clé de l'électromagnétisme qui a un impact sur la façon dont les particules chargées se déplacent dans les matériaux.
« Maintenant, nous pouvons composer dans n'importe quel domaine électromagnétique que nous voulons – même des champs au-delà de ce qui est pratiquement possible dans un environnement de laboratoire – et de voir comment le mouvement des particules quantiques change dans le domaine. Notre travail permet aux ordinateurs quantiques de simuler beaucoup plus du comportement riche des matériaux quantiques », a déclaré le Rosen Ilan du MIT, qui est l'auteur principal du papier.
L'équipe a validé son approche pour générer des champs électromagnétiques synthétiques en observant l'effet de la salle, où une particule chargée se déviée latéralement lorsqu'elle se déplace à travers un matériau sous un champ magnétique perpendiculaire. Dans les matériaux réels, l'effet Hall conduit à une tension à travers le matériau, donc leur expérience a démontré à quel point le contrôle et l'ingénierie précis élargissent les capacités des simulateurs quantiques.
L'élargissement de leurs travaux antérieurs tirant parti de la programmabilité des tableaux de qubit supraconducteurs, les équipes QSA du MIT et du MIT Lincoln Laboratory ont conçu une autre approche unique pour étudier le comportement et la localisation des particules. Ils ont sélectionné dix qubits de la grille 4 × 4 pour former un réseau rhombique unidimensionnel. Cette configuration de qubit a permis aux chercheurs de manipuler de manière flexible le transport des particules et la vitesse de groupe, faisant la lumière sur des phénomènes complexes dans la physique de la matière condensée.
Les résultats ont été publiés sur le arxiv Serveur préimprimée en 2024.
L'équipe a pu modifier ce réseau en utilisant le champ électromagnétique synthétique. Sans le champ, les particules se déplacent librement (régime de bande dispersive), mais lorsque le champ magnétique augmente, les particules ralentissent et finissent par se coincer dans le réseau (régime de bande plate). L'introduction du trouble (variations d'énergie aléatoire) est également utilisée pour étudier les réponses distinctives de transport résultant de la structure de la bande plate ajustée.
« Notre étude démontre que l'ajout de nouvelles capacités aux simulateurs quantiques – comme les champs électromagnétiques – nous permet d'étudier les systèmes physiques impactants – comme les matériaux avec des structures à bande plate. Ces techniques sont facilement extensibles aux réseaux plus grands, où nous pouvons étudier les phases quantiques exotiques prédites par des théories de physique condensée de la matière, » ajouté des roses ajoutées.
Systèmes de contrôle pionnier
Alors que les plates-formes de qubit supraconductrices programmables avancent la recherche fondamentale, il y a un besoin croissant dans le domaine des systèmes de contrôle robustes. Les chercheurs doivent contrôler et diriger les systèmes d'information quantique, effectuant des mesures de qubit en temps réel. Une équipe QSA du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a construit un système de contrôle électronique basé sur le gamme de portes programmables sur le terrain modulaire (FPGA) appelé Qubic 2.0, publiant leurs résultats sur le arxiv Préprint Server, (après avoir construit son prédécesseur, Qubic).
Qubic 2.0 est uniquement adapté aux systèmes quantiques supraconducteurs et est entièrement open-source, ce qui le rend à la disposition de la communauté plus large. Il fonctionne avec du matériel électronique à température ambiante, des portes FPGA et des logiciels d'ingénierie pour réaliser les impulsions radio-fréquences souhaitées pour contrôler et mesurer les qubits. Le Gateware Qubic 2.0 entièrement open open offre également un accès exquis de bas niveau pour les chercheurs à toutes les couches de contrôle, permettant aux autres de participer à l'évolution du produit et de fournir des commentaires.
« Qubic 2.0 (et son prédécesseur Qubic) fournit un système matériel de contrôle de qubit modulaire, évolutif et rentable et une solution de génie personnalisée pour les plates-formes naissantes en cours de développement. (ATAP) Division au Berkeley Lab.
Qubic 2.0 exploite également les dernières avancées de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique. Il intègre un réseau neuronal personnalisé multicouche directement sur la puce FPGA. Selon les résultats expérimentaux de l'équipe, le FPGA propulsé par l'AI ne prend que 54 NS dans le temps d'inférence pour la discrimination de l'État, améliorant la fidélité de lecture quantique de 92% à 98%.
« Avec les capacités de Qubic 2.0, les techniques de mesure en milieu de circuit et de nourriture sont réalisables, permettant la réalisation d'algorithmes quantiques avancés et une classe plus large d'expériences. Ce système de contrôle répond aux exigences croissantes d'évolutivité et de systèmes à source ouverte, a déclaré le co-déception en faveur de la recherche quantique à QSA et de l'écosystème d'écosystème plus large » Division ATAP de Berkeley Lab.
Évaluation des performances
Un autre exemple de nouvelles approches utilisant des qubits supraconducteurs a été dirigée par une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, en collaboration avec Berkeley Lab et Sandia National Laboratories. Les chercheurs ont introduit une nouvelle technique pour évaluer les performances des portes logiques quantiques appelées récompenses comparatives Randomisées Mirror (MRB), qui peuvent évoluer à des milliers de qubits. De nombreuses méthodes largement utilisées, comme l'analyse comparative randomisée, deviennent peu pratiques au-delà d'un petit nombre de qubits.
Leurs résultats, publiés dans Revue physique xdémontrez que la méthode est très adaptable, créant un moyen d'étudier les performances de certaines portes ou même d'algorithmes sans calcul coûteux.
« L'évolutivité de MRB lui permet de capturer avec précision les erreurs de diaphonie multi-qubit manquées par des références standard et deux qubit.
Les équipes QSA se concentrant sur les plateformes de qubit supraconductrices repoussent les limites des technologies quantiques naissantes et ouvrent de nouvelles possibilités d'informatique avancée et l'exploration de phénomènes complexes. De la simulation des champs électromagnétiques synthétiques et du comportement des particules au développement de systèmes de contrôle évolutifs et de techniques de benchmarking avancées, elles ouvrent la voie à des systèmes quantiques polyvalents.
La collaboration transparente à travers le QSA continuera d'accélérer les progrès vers l'informatique quantique tolérante aux pannes et la création de nouvelles opportunités pour échanger des leçons sur les technologies Qubit.
