Fizycy stworzyli urządzenie do obliczeń kwantowych na nadprzewodnikach, wykorzystując zasadę modułowości. Umieścili cztery oddzielne węzły na płaskim podłożu, których konfigurację można dowolnie zmieniać. Naukowcy osiągnęli średnią dokładność na poziomie 96 procent w przypadku wyników dla zaworów dwukubitowych i jakość przygotowania splątanego stanu dwukubitowego na poziomie 98,74 procent. Nowa metoda tworzenia urządzeń kwantowych będzie przydatna do efektywnego skalowania systemów o nieograniczonej wielkości. Wyniki badania 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 z kolei połączony ze wszystkimi pozostałymi. Nie zaprezentowano jednak dotychczas 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 materię.
Jednocześnie naukowcy nie rezygnują z prób obejścia ograniczeń fizycznych i stosują podejście podobne do organizacji sieci Ethernet — nadprzewodzące kubity są połączone za pomocą centralnego elementu routującego. W tym celu fizycy wykorzystują wspólną magistralę rezonatora lub łączą moduły obliczeniowe za pomocą wielomodowego rezonatora pierścieniowego. Takie podejście ma też inne wady, na przykład długi czas przełączania między węzłami, który jest o rząd wielkości bliższy czasowi koherencji nadprzewodzących kubitów.
Amerykańscy fizycy pod przewodnictwem Andrew Clelanda z Uniwersytetu w Chicago zaproponowali nową, modułową architekturę procesora kwantowego, polegającą na połączeniu każdego kubitu 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. Umożliwiło to kompleksową komunikację kubitów poprzez selektywne łączenie par kubitów za pomocą odpowiednich przełączników sterowanych przez dynamiczne dostrajanie strumienia magnetycznego. Pojedyncze moduły kubitowe, 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 operacji przez zawór wyniósł około 46 nanosekund, przy dokładności 96 procent i błędzie około 0,08 procent. Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje numeryczne i odkryli, że teoretyczna granica dokładności dwukubitowych zaworów w ich urządzeniu zbliża się do 99 procent. Następnie naukowcy wygenerowali stany splątane Greenbergera-Horna-Zeilingera obejmujące najpierw dwa, a następnie trzy i cztery kubity. Ostateczny stopień zbieżności stanu dla pierwszego przypadku wyniósł 98,74 proc., dla drugiego – 88,15 proc., a dla trzeciego – 75,18 proc. To pogorszenie wyników fizycznych przypisano dekoherencji pojedynczych kubitów w okresach bezczynności, gdy algorytm współpracował z innymi elementami obwodu.
Autorzy pracy zauważyli, że zaproponowaną przez nich metodę łączenia można udoskonalić, zwiększając czas koherencji kubitów, a następnie wykorzystać ją do jednoczesnego łączenia więcej niż czterech modułów w struktury przypominające gwiazdę.
Aby połączyć urządzenia jonowe w jeden komputer kwantowy, naukowcy wykorzystują kilka różnych 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.