Fizycy wdrożyli urządzenie do obliczeń kwantowych na nadprzewodnikach, wykorzystując zasadę modułową, umieszczając cztery oddzielne węzły na płaskim podłożu, którego konfiguracja może być dowolnie zmieniana. Naukowcy osiągnęli średni stopień zbieżności (wierności) wyników działania zaworów dwukubitowych w 96 procentach i jakość przygotowania splątanego stanu dwukubitowego w 98,74 procentach. Nowa metoda tworzenia urządzeń kwantowych będzie przydatna do efektywnego skalowania układów o nieograniczonej wielkości. Wyniki opublikowano w Physical Review X.
Aby obliczenia kwantowe były praktyczne, naukowcy potrzebują urządzeń zawierających dużą liczbę kubitów, z których każdy musi być połączony ze wszystkimi innymi. Jednak do tej pory nie przedstawiono implementacji pełnoprawnego urządzenia o takiej architekturze: na przykład w przypadku nadprzewodników fizycznie niemożliwe jest połączenie wszystkich kubitów ze sobą na tej samej płaszczyźnie - utrata koherencji i efekt defazowania zakłócają się.
Jednocześnie badacze nie przestają próbować ominąć ograniczeń fizycznych i stosują podejście podobne do organizacji sieci Ethernet – nadprzewodzące kubity są połączone za pomocą centralnego elementu routingu. W tym celu fizycy wykorzystują wspólną magistralę rezonatora lub łączą moduły obliczeniowe z wielomodowym rezonatorem pierścieniowym. Podobne podejścia cierpią już na drugą wadę — na przykład długi czas przełączania między węzłami, który o rząd wielkości zbliża się 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 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 połączeniu par kubitów poprzez odpowiednie przełączniki sterowane za pomocą dynamicznej regulacji strumienia magnetycznego. Moduły pojedynczych kubitów, wykonane na podłożach szafirowych, zostały wyposażone w indywidualne styki wyjściowe i umieszczone na wspólnej płycie głównej, która była chłodzona do 10 milikelwinów.
Fizycy zademonstrowali funkcjonalność i protokół przełączników na przykładzie kwantowej zaworu CZ. Wyniki testów wykazały, że średni czas wykonania bramki wynosił około 46 nanosekund przy dokładności 96 procent z błędem około 0,08 procent. Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje numeryczne i odkryli, że teoretyczna granica dokładności zaworów dwukubitowych w ich urządzeniu jest bliska 99 procent. Następnie naukowcy wygenerowali splątane stany Greenbergera-Horna-Zeilingera z udziałem najpierw dwóch, a następnie trzech i czterech kubitów. Końcowy stopień koincydencji warunku dla pierwszego przypadku wynosił 98,74 procent, dla drugiego - 88,15 procent, a dla trzeciego już 75,18 procent. Takie obniżenie wyniku fizyki wiązało się z dekoherencją pojedynczych kubitów w okresach ich bezczynności, podczas gdy algorytm współpracował z innymi elementami schematu.
Autorzy pracy zauważyli, że zaproponowaną przez nich metodę łączenia można udoskonalić poprzez zwiększenie czasu koherencji kubitów i w przyszłości będzie można za jej pomocą łączyć więcej niż cztery moduły jednocześnie w struktury o strukturze gwiazdy.
Jeśli chodzi o łączenie urządzeń jonowych w pojedynczy komputer kwantowy, naukowcy stosują kilka innych podejść, głównie związanych z fizycznym ruchem jonów. Na przykład pisaliśmy już o tym, jak fizycy nauczyli się przesyłać jony między chipami z rekordową prędkością.
