Fizycy zaimplementowali nadprzewodzące urządzenie do obliczeń kwantowych, wykorzystując podejście modułowe, umieszczając cztery oddzielne węzły na płaskim podłożu, którego konfigurację można dowolnie zmieniać. Naukowcy osiągnęli średnią dokładność na poziomie 96% dla bramek dwukubitowych oraz dokładność na poziomie 98,74% dla przygotowania splątanego stanu dwukubitowego. Ta nowa metoda tworzenia urządzeń kwantowych będzie przydatna do efektywnego skalowania systemów o nieograniczonej wielkości. Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review X.
Aby komputery kwantowe były praktyczne, naukowcy potrzebują urządzeń zawierających dużą liczbę kubitów, z których każdy musi być połączony ze wszystkimi pozostałymi. Jednak w pełni funkcjonalne urządzenie o takiej architekturze nie zostało jeszcze wdrożone: na przykład w przypadku nadprzewodników połączenie wszystkich kubitów ze sobą na jednej płaszczyźnie jest fizycznie niemożliwe, ponieważ występują interferencje utraty koherencji i rozfazowania.
Jednocześnie naukowcy nadal próbują obejść ograniczenia fizyczne, stosując podejście podobne do sieci Ethernet: nadprzewodzące kubity są połączone za pomocą centralnego elementu routującego. Aby to osiągnąć, fizycy używają wspólnej magistrali rezonatorów lub łączą moduły obliczeniowe za pomocą wielomodowego rezonatora pierścieniowego. Takie podejścia mają również inne wady, takie jak długi czas przełączania między węzłami, który jest zbliżony do czasu koherencji nadprzewodzących kubitów.
Amerykańscy fizycy pod przewodnictwem Andrew Clelanda z Uniwersytetu w Chicago zaproponowali nową modułową architekturę procesora kwantowego, łączącą każdy kubit układu z nadprzewodzącym urządzeniem interferencyjnym.
Aby to osiągnąć, naukowcy zbudowali obwód składający się z czterech nadprzewodzących kubitów i czterech niezależnie sterowanych węzłów, połączonych galwanicznie z centralnym kondensatorem. Umożliwiło to komunikację między kubitami poprzez selektywne łączenie par kubitów za pomocą odpowiednich przełączników sterowanych dynamicznie poprzez regulację strumienia magnetycznego. Poszczególne moduły kubitów, wykonane na podłożach szafirowych, zostały wyposażone w indywidualne piny i zamontowane na wspólnej płycie głównej, chłodzonej do 10 milikelwinów.
Fizycy zademonstrowali funkcjonalność i protokół działania przełączników, wykorzystując kwantową bramkę CZ. Wyniki testów wykazały, że średni czas wykonania bramki wynosił około 46 nanosekund przy dokładności 96 procent i marginesie błędu około 0,08 procent. Naukowcy przeprowadzili następnie symulacje numeryczne i odkryli, że teoretyczny limit dokładności bramek dwukubitowych w ich urządzeniu zbliża się do 99 procent. Następnie badacze wygenerowali splątane stany Greenbergera-Horn-Zeilingera obejmujące najpierw dwa, następnie trzy i cztery kubity. Końcowa wierność stanu w pierwszym przypadku wyniosła 98,74 procent, w drugim – 88,15 procent, a w trzecim – 75,18 procent. Fizycy przypisali ten spadek wydajności dekoherencji pojedynczych kubitów w okresach bezczynności, gdy algorytm przetwarzał inne elementy obwodu.
Autorzy pracy zauważyli, że proponowaną przez nich metodę łączenia można udoskonalić, zwiększając czas koherencji kubitów, co umożliwi jej jednoczesne łączenie więcej niż czterech modułów w struktury o kształcie gwiazdy.
Jeśli chodzi o łączenie urządzeń jonowych w jeden komputer kwantowy, naukowcy stosują nieco inne podejścia, bazujące głównie na fizycznym ruchu jonów. Na przykład, pisaliśmy już o tym, jak fizycy nauczyli się przesyłać jony między chipami z rekordową prędkością.
