Fizycy zaimplementowali kwantowe urządzenie obliczeniowe na nadprzewodnikach, stosując zasadę modułowości, umieszczając cztery oddzielne węzły na płaskim podłożu, którego konfigurację można dowolnie zmieniać. Naukowcy osiągnęli średni stopień zbieżności (wierności) wyników działania zaworów dwukubitowych na poziomie 96 proc. i jakość przygotowania stanu splątanego dwukubitowego na poziomie 98,74 proc. Nowa metoda tworzenia urządzeń kwantowych przyda się do efektywnego skalowania układów o nieograniczonej wielkości. Wyniki opublikowano w Physical Review X.
Aby obliczenia kwantowe miały praktyczne zastosowanie, naukowcy potrzebują urządzeń zawierających dużą liczbę kubitów, z których każdy z kolei musi być połączony ze wszystkimi pozostałymi. Jednak do tej pory nie przedstawiono realizacji pełnoprawnego urządzenia o takiej architekturze: przykładowo w przypadku nadprzewodników fizycznie niemożliwe jest połączenie wszystkich kubitów ze sobą na tej samej płaszczyźnie – utrata spójności i efekt odfazowania zakłóca.
Jednocześnie badacze nie przestają próbować ominąć ograniczeń fizycznych i stosują podejście podobne do organizacji sieci Ethernet – nadprzewodzące kubity łączone są za pomocą centralnego elementu routingu. W tym celu fizycy wykorzystują wspólną szynę rezonatorową lub łączą moduły obliczeniowe z wielomodowym rezonatorem pierścieniowym. Podobne podejścia mają już drugą wadę — na przykład długi czas przełączania między węzłami, który pod względem wielkości zbliża się do czasu koherencji kubitów nadprzewodzących.
Amerykańscy fizycy pod przewodnictwem Andrew Clelanda (Andrew Cleland) z Uniwersytetu w Chicago zaproponowali nową modułową architekturę procesora kwantowego, łączącą każdy kubit układu z nadprzewodzącym kwantowym urządzeniem zakłócającym.
W tym celu naukowcy stworzyli obwód czterech nadprzewodzących kubitów i czterech niezależnie sterowanych węzłów, które połączono galwanicznie z centralnym kondensatorem. Zapewniło to połączenie kubitów typu „wszyscy ze wszystkimi” poprzez selektywne łączenie par kubitów poprzez odpowiednie przełączniki sterowane za pomocą dynamicznej regulacji strumienia magnetycznego. Moduły poszczególnych kubitów, wykonane na podłożach szafirowych, zostały wyposażone w indywidualne styki wyjściowe i umieszczone na wspólnej płycie głównej, która została schłodzona do temperatury 10 milikelwinów.
Fizycy zademonstrowali funkcjonalność i protokół przełączników na przykładzie kwantowego zaworu CZ. Wyniki testu wykazały, że średni czas wykonania bramki wyniósł około 46 nanosekund przy dokładności na poziomie 96 procent i błędzie około 0,08 procent. Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje numeryczne i odkryli, że teoretyczna granica dokładności dwukubitowych zaworów w ich urządzeniu jest bliska 99 proc. Następnie badacze wygenerowali stany splątane Greenbergera-Horna-Zeilingera z udziałem pierwszych dwóch, a następnie trzech i czterech kubitów. Ostateczny stopień zbieżności stanu 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 poszczególnych kubitów w okresach ich bezczynności, natomiast algorytm współpracował z innymi elementami schematu.
Autorzy pracy zauważyli, że zaproponowany przez nich sposób łączenia można ulepszyć poprzez zwiększenie czasu koherencji kubitów i w przyszłości zastosować go do łączenia więcej niż czterech modułów jednocześnie w struktury przypominające gwiazdę.
Jeśli chodzi o łączenie urządzeń jonowych w jeden komputer kwantowy, naukowcy stosują kilka innych podejść, związanych głównie z fizycznym ruchem jonów. Pisaliśmy już np. o tym, jak fizycy nauczyli się przenosić jony pomiędzy chipami z rekordową szybkością.