Фізики реалізували квантовий обчислювальний пристрій на надпровідниках за допомогою модульного принципу, розмістивши на плоскій підкладці чотири окремі вузли, конфігурацію яких можна змінювати довільним чином. Вчені досягли середнього ступеня збігу (fidelity) результатів роботи двокубітних вентилів у 96 відсотків та якості приготування заплутаного двокубітного стану у 98,74 відсотка. Новий метод створення квантових пристроїв буде корисним для ефективного масштабування систем необмеженого розміру. Результати дослідження опубліковані у Physical Review X.
Щоб квантові обчислення принесли практичну користь, вченим необхідні пристрої, що містять велику кількість кубітів, кожен з яких, у свою чергу, повинен бути пов'язаний з усіма іншими. Однак реалізація повноцінного устрою подібної архітектури на сьогоднішній день досі не представлена: наприклад, у разі надпровідників фізично неможливо з'єднати всі кубити один з одним на одній площині — справа втручається втрата когерентності та ефект дефазування.
При цьому дослідники не залишають спроб обійти фізичні обмеження і використовують для цього підхід, схожий на організацію мережі Ethernet - надпровідникові кубити пов'язують за допомогою центрального елемента маршрутизації. Для цього фізики використовують загальну резонаторну шину або об'єднують модулі багатомодовим кільцевим резонатором. Подібні підходи страждають вже від інших недоліків — наприклад, великого часу перемикання між вузлами, яке по порядку величини наближається до часу когерентності надпровідникових кубітів.
Американські фізики під керівництвом Ендрю Клеланда (Andrew Cleland) з Чикагського Університету запропонували нову модульну архітектуру квантового процесора, з'єднавши кожен кубит системи з надпровідним квантовим інтерференційним пристроєм.
Для цього вчені склали схему із чотирьох надпровідникових кубітів та чотирьох незалежно керованих вузлів, які гальванічно з'єднали з центральним конденсатором. Це забезпечило зв'язок кубитів типу «все з усіма» завдяки вибірковому з'єднанню пар кубитів через відповідні перемикачі, контрольовані динамічною настройкою магнітного потоку. Модулі окремих кубитів, виготовлені на сапфірових підкладках, забезпечили індивідуальними вивідними контактами та розташували на загальній материнській платі, яку охолодили до 10 міллікельвін.
Фізики продемонстрували функціональність та протокол роботи перемикачів на прикладі квантового CZ-вентилю. Результати тесту показали, що середній час виконання вентиля виявився приблизно 46 наносекунд при ступені збігу (fidelity) 96 відсотків з похибкою близько 0,08 відсотка. Потім вчені провели чисельне моделювання та з'ясували, що теоретична межа точності роботи двокубітних вентилів на їхньому пристрої наближається до 99 відсотків. Після цього дослідники згенерували заплутані стани Грінбергера - Хорна - Цайлінгера за участю спочатку двох, а потім трьох та чотирьох кубитів. Підсумковий ступінь збігу стану для першого випадку становив 98,74 відсотка, для другого — 88,15 відсотка та для третього вже 75,18 відсотка. Таке зниження результату фізики пов'язали з декогеренцією окремих кубитів у періоди їх простою, доки алгоритм працював з іншими елементами схеми.
Автори роботи зазначили, що запропонований ними метод з'єднання може бути покращений за рахунок збільшення часу когерентності кубитів і надалі використаний для з'єднання більш ніж чотирьох модулів одночасно в зореподібні структури.
Коли йдеться про з'єднання іонних пристроїв у єдиний квантовий обчислювач, вчені використовують дещо інші підходи, переважно пов'язані з фізичним переміщенням іонів. Наприклад, ми вже писали про те, як фізики навчилися переносити іони між чіпами з рекордною швидкістю.