ETH Zürichs banebrydende kvantechip: Information gemmes som mikroskopiske vibrationer

Transmonen udfører gates på de mekaniske tilstande via iSWAP-operationer og Jaynes-Cummings-interaktionen, med en målt koblingsstyrke på g/2π = 296 kHz . En afgørende nyskabelse er en ny protokol for hurtige, kontrollerede to-qubit-gates med vilkårlig fase (Cϕ), som opnås via off-resonante interaktioner mellem qubit og resonator. Forskerne mener, at denne protokol kan overføres til andre fysiske platforme .

Demonstration: Kørsel af ægte kvantealgoritmer

Forskerholdet demonstrerede et universelt gatesæt – bestående af enkelt-qubit-gates og kontrollerede vilkårlige fase-gates – og brugte det til at udføre to benchmark-algoritmer :

• Quantum Fourier Transform (QFT): En ideel test for denne arkitektur, fordi QFT kræver kontrollerede vilkårlige fase-gates og fuld qubit-forbindelse. De lange kohærenstider i HBAR’ens fonon-tilstande var særligt fordelagtige under inaktive perioder i algoritmen .
• Quantum Period Finding (QPF): En central underrutine i Shors algoritme til heltalsfaktorisering, som også blev kørt med succes på systemet .

Gate-fideliteterne stemte godt overens med simuleringer, der tog højde for fejl i tilstandsforberedelse og -måling samt iSWAP-unøjagtigheder .

Betydning: Hvorfor mekanisk hukommelse er vigtig

Dette arbejde er den første demonstration af en programmerbar, alsidig kvantecomputerarkitektur, der bruger mekaniske resonatorer . Dens betydning stammer fra flere vigtige fordele i forhold til konventionel elektromagnetisk hukommelse:

• Kompakthed og lagringstæthed: Elektromagnetiske kvantehukommelser – koplanare bølgelederresonatorer, 3D-kaviteter – er store og giver begrænset adgang til tilstande. En enkelt HBAR-chip indeholder et stort antal meget kohærente harmoniske tilstande i et langt mindre fodaftryk .
• Stabilitet og kohærens: De mekaniske (fonon-) tilstande har lange iboende kohærenstider, hvilket gør dem velegnede til midlertidig lagring af kvanteinformation .
• En vej til kvante-RAM: Forskerne udtaler direkte, at disse resultater "baner vejen for at bruge mekaniske systemer til at bygge afgørende komponenter til fremtidige kvanteteknologier, såsom kvante-RAM" .

Nuværende begrænsninger

Demonstrationen er i øjeblikket begrænset i processorkraft af antallet af fonon-tilstande, der kan interagere med den enkelte transmon-qubit. ETH Zürich-holdet arbejder aktivt på at forbedre kohærenstiderne, udforske forskellige hybride arkitekturdesigns og fremskynde aflæsningen af transmon-tilstanden .

Hovedkonklusionen: ETH Zürich-chippen beviser, at et hybridsystem med en superledende qubit og mekanisk (fonon-) hukommelse kan køre rigtige kvantealgoritmer. Den etablerer mekaniske resonatorer som en farbar vej til kompakte kvantehukommelser med høj kohærens, der overvinder plads- og forbindelsesbegrænsningerne hos deres elektromagnetiske modstykker.