Fizycy wdrożyli urządzenie do obliczeń kwantowych na nadprzewodnikach, wykorzystując zasadę modułowości. Umieścili cztery oddzielne węzły na płaskim podłożu, których konfigurację można dowolnie zmieniać. Naukowcom udało się osiągnąć średni stopień zgodności (wierności) wyników pracy zaworów dwukubitowych wynoszący 96 proc. oraz jakość przygotowania splątanego stanu dwukubitowego wynoszącą 98,74 proc. Nowa metoda tworzenia urządzeń kwantowych będzie przydatna do efektywnego skalowania systemów o nieograniczonej wielkości. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review X.
Aby komputery kwantowe mogły znaleźć praktyczne zastosowanie, naukowcy potrzebują urządzeń zawierających dużą liczbę kubitów, z których każdy musi być połączony ze wszystkimi pozostałymi. Jednak do tej pory nie zaprezentowano implementacji pełnoprawnego urządzenia o takiej architekturze: na przykład w przypadku nadprzewodników połączenie wszystkich kubitów ze sobą na tej samej płaszczyźnie jest fizycznie niemożliwe – utrata koherencji i efekt rozfazowania zakłócają się.
Jednocześnie badacze nie ustają w próbach omijania ograniczeń fizycznych i stosują podejście podobne do organizacji sieci Ethernet – nadprzewodzące kubity są łączone za pomocą centralnego elementu routingu. W tym celu fizycy wykorzystują wspólną magistralę rezonatora lub łączą moduły obliczeniowe za pomocą wielomodowego rezonatora pierścieniowego. Podobne podejścia mają już drugą wadę — na przykład długi czas przełączania między węzłami, który jest rzędu wielkości zbliżony do czasu koherencji nadprzewodzących kubitów.
Amerykańscy fizycy pod przewodnictwem Andrew Clelanda (Andrew Cleland) z Uniwersytetu w Chicago zaproponowali nową modułową architekturę procesora kwantowego, łączącą każdy kubit układu z nadprzewodzącym urządzeniem interferencyjnym.
Aby to zrobić, naukowcy stworzyli obwód składający się z czterech nadprzewodzących kubitów i czterech niezależnie sterowanych węzłów, które były galwanicznie połączone z centralnym kondensatorem. Zapewniło to połączenie kubitów typu „wszystko ze wszystkim” dzięki selektywnemu łączeniu par kubitów poprzez odpowiednie przełączniki sterowane za pomocą dynamicznej regulacji strumienia magnetycznego. Moduły pojedynczych kubitów, wykonane na podłożach szafirowych, wyposażono w indywidualne styki wyjściowe i umieszczono na wspólnej płycie głównej, chłodzonej do 10 milikelwinów.
Fizycy zademonstrowali funkcjonalność i protokół przełączników na przykładzie kwantowego zaworu CZ. Wyniki testów wykazały, że średni czas wykonania bramki wyniósł około 46 nanosekund, a dokładność wynosiła 96 procent, a błąd około 0,08 procent. Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje numeryczne i odkryli, że teoretyczna granica dokładności zaworów dwukubitowych w ich urządzeniu wynosi blisko 99 procent. Następnie naukowcy wygenerowali splątane stany Greenbergera-Horna-Zeilingera z udziałem najpierw dwóch, a następnie trzech i czterech kubitów. Ostateczny stopień zbieżności warunków dla pierwszego przypadku wyniósł 98,74 proc., dla drugiego – 88,15 proc., a dla trzeciego już 75,18 proc. Takie obniżenie wyniku fizyki wiązało się z dekoherencją pojedynczych kubitów w okresach ich bezczynności, gdy algorytm współpracował z innymi elementami schematu.
Autorzy pracy zauważyli, że zaproponowaną przez nich metodę łączenia można udoskonalić poprzez zwiększenie czasu koherencji kubitów, a następnie wykorzystać ją do jednoczesnego łączenia więcej niż czterech modułów w struktury przypominające gwiazdę.
Gdy chodzi o łączenie urządzeń jonowych w jeden komputer kwantowy, naukowcy korzystają z kilku innych podejść, głównie związanych z fizycznym ruchem jonów. Na przykład pisaliśmy już o tym, jak fizycy nauczyli się przesyłać jony między układami scalonymi z rekordową prędkością.