Fizycy wdrożyli kwantowe urządzenie obliczeniowe na nadprzewodnikach, wykorzystując zasadę modułowości, umieszczając cztery oddzielne węzły na płaskim podłożu, którego konfigurację można dowolnie zmieniać. Naukowcy osiągnęli średni stopień zgodności (wierności) wyników działania lamp dwukubitowych na poziomie 96% oraz jakość przygotowania splątanego stanu dwukubitowego na poziomie 98,74%. 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 być praktycznie wykorzystywane, naukowcy potrzebują urządzeń zawierających dużą liczbę kubitów, z których każdy musi być połączony ze wszystkimi pozostałymi. Jednak do tej pory nie zaprezentowano w pełni funkcjonalnego 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 interferenują.
Jednocześnie badacze nie ustają w próbach obejścia 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 rezonatorów lub łączą moduły obliczeniowe z wielomodowym rezonatorem pierścieniowym. Podobne podejścia mają już drugą wadę – na przykład długi czas przełączania między węzłami, który jest rzędem 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.
W tym celu naukowcy zbudowali obwód złożony 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 za pomocą odpowiednich przełączników sterowanych dynamiczną regulacją strumienia magnetycznego. Moduły poszczególnych kubitów, wykonane na podłożach szafirowych, zostały wyposażone w indywidualne styki wyjściowe i umieszczone na wspólnej płycie głównej, chłodzonej do 10 milikelwinów.
Fizycy zademonstrowali funkcjonalność i protokół przełączników na przykładzie kwantowej lampy CZ. Wyniki testów wykazały, że średni czas wykonania bramki wynosił około 46 nanosekund przy dokładności 96 procent i błędzie około 0,08 procent. Następnie naukowcy przeprowadzili symulacje numeryczne i odkryli, że teoretyczna granica dokładności lamp dwukubitowych w ich urządzeniu jest bliska 99 procent. Następnie badacze wygenerowali splątane stany Greenbergera-Horna-Zeilingera z udziałem najpierw dwóch, a następnie trzech i czterech kubitów. Końcowy stopień koincydencji warunku dla pierwszego przypadku wyniósł 98,74 procent, dla drugiego - 88,15 procent, a dla trzeciego już 75,18 procent. Takie obniżenie wyniku fizyki było związane z dekoherencją pojedynczych kubitów w okresach ich bezczynności, podczas gdy algorytm pracował 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 jednocześnie więcej niż cztery moduły w struktury o strukturze gwiazdy.
Aby połączyć urządzenia jonowe w jeden 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.
