物理

超导量子处理器?

超导电路将成为明天的量子计算机中量子比特的媒介吗?我们尚不知道,但是他们的灵活性使他们成为优秀的候选人。

帕特里斯·贝特(Patrice Bertet),丹尼斯·维昂(Denis Vion)和丹尼尔·埃斯蒂夫(DanielEstève) 科学档案N°68
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1980年代,量子力学在信息处理方面的巨大潜力的发现标志着量子处理器竞赛的开始。在被选作该处理器“构件”的不同物理系统中,一个量子位(请参阅第65页的方框),超导电路(在低温下没有电阻)迅速成为了很好的候选者。 。确实,在那时,各种实验表明了最简单的超导组件:约瑟夫森结的整体量子行为,我们将对其进行描述。第二个原因在于复制和连接相同“电子芯片”上的相似组件非常容易,这是处理器设计所必需的先验条件。

因此,具有量子比特的超导电路已经发展了十二年。我们将证明,世界各地约二十个研究小组已经实施的基本要素令人鼓舞,并且它们还为更基本的实验提供了新工具,使量子力学可以在新情况下进行测试。

人造原子

那么,电路特别要具有量子性?为了理解这一点,让我们以一个固有频率为f0的简单振荡器为例,例如与移动电话天线相连的振荡器(请参见第64页的图)。这个电路 lc ,由一个线圈( l) 和一个电容器(c)仅有一个电气自由度,这意味着一对单独的集体电气变量足以完全表征其状态:例如,可以选择电荷 q 电容器电极之一上的磁通量和通过线圈的磁通量φL。从经典的角度来看,该振荡器的总能量(其磁能和电能之和)可以取任何值。另一方面,根据量子力学,振荡器的稳态对应于离散的总能级,相隔一个量hf0(h是普朗克常数)。当与自由度(φL, q)与hf0相比可以忽略不计。换句话说,电路的整体量子特性在充分冷却(对于两千兆赫兹手机的振荡器而言,温度低于0.1开尔文)时表现出来。

仅当自由度(φL, q)与其他自由度不太相关,例如构成振荡器的金属的非零电阻的自由度。这证明了在量子电路中使用铝或铌等超导金属是合理的:实际上,电子在那里成对地冷凝,称为库珀对,形成没有阻力的循环流体。量子自由度使得(φL, q)因此受到保护。

因此,我们可以使用振荡器吗 lc supraconducteur 和 suffisamment refroidi comme mémoire élémentaire d'un processeur quantique, c'est-à-dire comme qubit ? On pourrait penser définir les deux états |0> 和 |1> de ce qubit par les deux états d'énergie les plus bas du spectre (E0 和 E1 sur la figure page 64). Cette idée est en fait mauvaise, car l'équidistance entre tous les niveaux d'énergie ne permettrait pas de faire passer le bit de |0> à |1> sans que les autres états (E2, E3, … En) ne soient également excités de proche en proche. On doit donc modifier l'oscillateur pour que ses niveaux ne soient plus équidistants.

超导电性为“量子电子工程师”提供了一个有点像线圈的新组件,从而提供了解决方案,但其电感取决于磁能:约瑟夫森结。该元件由被薄电绝缘体隔开的两个超导电极组成,库珀对可通过该电极导通。通过更换线圈 l de l'oscillateur précédent par une telle jonction, on obtient bien un spectre à niveaux d'énergie non équidistants, comme celui d'un atome. Le système forme alors un qubit cantonné à ses deux plus bas états d'énergie |0> 和 |1> 和 de fréquence de transition f01.

因此,约瑟夫森结是整个量子电路家族的构建块,一旦将其冷却到约20毫ikelvin的温度,其行为就像可以用作量子位的人造原子。

第一个超导量子比特

库珀对盒是最简单的约瑟夫逊量子位,是由电场极化的约瑟夫逊结。实际上,电路要复杂一些(请参见左上方的图):结被分开并将一个称为“岛”的电极连接到一个“储层”电极。它被电压源和栅电极产生的电场极化。加载 q 这里引入到振荡器的是岛的磁通,广义通量φJ(相当于前一个振荡器的磁通量φL)是结的通量。变量φJ和 q 在共轭电路中,它们的量子涨落服从海森堡不确定性关系:一个的涨落越大,另一个的跌落越小。当电能大于磁能时, q 低,我们称之为“收费率”。在相反的情况下,φJ波动很小,然后人们说“相态”。

正是在1998年的“充电制度”中,库珀的一对盒子才由这家日本公司 c a manipulé pour la première fois les deux états |0> 和 |1> d'un circuit. Dans cette expérience fondatrice, une superposition cohérente de ces deux états était obtenue par une impulsion bien contrôlée de la tension de grille. La mesure du qubit s'effectuait en collectant la charge q de l'île, égale à deux électrons dans l'état |1> 和 zéro dans l'état |0>. Elle ne pouvait donc se faire « en un coup » (voir l'encadré page ci-contre).

第一个量子比特的去相干时间只有几纳秒,这是因为它太过侵入性,而且对我们在所有这些超导电路中都发现的噪声的灵敏度太高:电荷”,这是由于材料中电荷的运动所致。然而,这些结果证明了量子电路的相干控制是可能的,并且构成了向功能量子位的第一步。

试点和“一键测量”

下一阶段于2001年在萨克雷(Saclay)进行,当时开发了一种称为quant的新电路(请参见第66页的图):这是一个库珀对箱,处于负载与负载之间的中间状态相位(对负载噪声较不敏感),由微波控制并装有一键式读取装置。

操纵quant的量子态的两种方法(我们也称其为引航)以原子物理学和核磁共振中使用的那些方法为模型。第一个被称为“共振脉冲”,在于以量子比特的微波频率施加较小的栅极电压交替脉冲。这样就实现了一个量子位的门,它使量子态围绕着轴转动 x 要么 y Bloch球体的角度(请参见对面的方框)。第二种控制方法,称为“绝热脉冲”,包括临时修改qubit的频率。然后,我们得到一扇门,该门导致绕轴旋转 z。通过组合最多三个门获得任意门 x, yz。今天,所有超导量子位都使用这种单量子位门的实现。

Dans le principe, la discrimination en un coup des états |0> 要么 |1> du quantronium est obtenue en mesurant non plus la charge de l'île, mais un courant permanent parcourant la boucle que forme ce composant. Pour ce faire, une jonction Josephson de mesure est insérée dans la boucle pour être utilisée comme disjoncteur : en envoyant au système une impulsion de courant bien ajustée, cette jonction ne doit produire une tension que lorsque le qubit est mesuré dans l'état |1>.

实际上,读取保真度仅达到70%。另外,量子比特的量子态被测量破坏,需要重新设置量子比特以备后用。耶鲁大学的一个小组随后提出了一种新的保存测量状态的读取方法。这种所谓的“分叉放大器”方法在读取结中使用交流电,并已达到80%的保真度。

量子比特的退相干

Comme tout autre qubit, un qubit Josephson peut perdre sa cohérence quantique soit par « relaxation », soit par « déphasage » (voir l'encadré page 66). La relaxation correspond à une transition du qubit de son état |1> vers son état |0>. Dans ce processus, un quantum d'énergie électromagnétique (un photon) est émis par le qubit 和 absorbé par son environnement, soit par des défauts microscopiques à la surface du qubit 要么 du substrat sur lequel il est fabriqué, soit par ses circuits d'écriture 和 de lecture.

“量子电气工程师”通过最小化从量子比特看到的电阻抗的实部,来最小化电路的这种寄生吸收。材料工程师通过确定哪些绝缘子在低温下具有最低的介电损耗来协助他。例如,对于quant,仅通过写电路进行弛豫的典型时间约为十微秒。与单个读取电路相关联的电容具有相同的数量级。因此,这两个贡献不足以解释观察到的弛豫时间(0.5到1.8微秒之间),并且很可能涉及微观材料缺陷。

“相移”导致的量子相干性损失是由于量子位频率f01的不受控制的位移引起的。实际上,在没有控制和松弛的情况下,并且当f01保持其参考值时,量子位的状态不会受到干扰,并由Bloch球上的固定向量表示。当f01偏离其参考值时,矢量开始绕轴旋转 z,而且差异很大,因此会更快。但是,f01取决于可能波动的宏观控制参数。这通过旋转产生Bloch球 z 不受控制,也称为相移。

最小化相移的一个好策略是调整qubit,以使其频率相对于控制参数的小波动保持稳定。该工作点存在于quant,可以实现0.7微秒的特征相移时间,即0.5微秒的总相干时间。在第一个配对的Cooper盒上的100倍的增益使得大多数约瑟夫森量子位现在都使用这种策略来减小相移……至少在存在固定点时。

量子比特的三个家族

十年来,开发了其他约瑟夫森量子位架构。为了限制其对负载噪声的敏感性,这些电路均设计为相位模式。其中三个因取得了重大进展而脱颖而出。

“磁通量子比特”于1999年推出,其最简单的形式是三个结,形成一个被磁通量的一半量子极化的环。它是由微波脉冲驱动的,该微波脉冲调制环路中的磁通,并由磁力计进行测量。该量子比特的兴趣在于其永久电流的大幅度,这有利于其测量,并且存在固定频率的最佳点。这个量子位达到了几微秒的一致性时间。

“相位量子位”是一个简单的电流偏置的约瑟夫森结。它由相同电流的微波脉冲驱动。量子位的能级定义在亚稳势阱中,测量是通过隧穿效应逃逸出该阱而进行的,某种程度上是根据原子的放射性衰变原理进行的。

自然很少能防止退相干,因此该量子比特在美国标准与技术研究所(以下简称“ 尼斯 ) 在2000年代初期,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校( ucsb )。尽管该电路很复杂,并且其读取设备破坏了测得的量子状态,但读取速度非常快,保真度达97%。这个量子比特比其他的更宏观,对松弛更敏感,这要归功于许多优化工作,2010年它达到了0.5微秒的相干时间。

最终,在2003年,耶鲁大学的一个团队介绍了一种置于微波谐振器内部的新型Cooper对盒结构(请参见第69页的图)。设计该结构的目的是将对腔中Rydberg原子进行的原子物理学实验(请参见第68页的方框)转换为电路,该体系结构还导致了基本量子处理器的发展。

La boîte à paires de Cooper, surnommée « transmon », opère ici en régime de phase grâce à l'ajout d'un condensateur en parallèle avec les deux jonctions. Elle est pilotée par des impulsions micro-ondes directement envoyées au travers du résonateur. Sa fréquence est réglée magnétiquement à une valeur différente de celle du résonateur, afin d'éviter tout échange d'énergie entre eux. Pour la mesure, le transmon joue le rôle d'une « poussière » diélectrique ayant une permittivité différente selon l'état |0> 要么 |1>. Le déplacement de la fréquence du résonateur qui en résulte est mesuré via l'amplitude 要么 la phase d'une impulsion micro-onde transmise à travers celui-ci.

可以通过测量通过谐振器的微波脉冲的幅度或相位来区分量子比特的两个状态。在低功率下,此方法无疑是非破坏性的,但会导致较差的读取保真度。

在2008年,我们小组基于已经用于ron的分叉放大器开发了单次跨膜读取,可达到96%的准确度。 Transmon架构的另一个优点是,谐振器很好地保护了量子位,使其不会松弛到外部电路。最终,相干时间达到了两微秒。

具有两个量子位的逻辑门

具有两个量子位的逻辑门 ont été élaborées avec les trois types de qubits précédents. Les deux bits forment un système à quatre états |00>, |01>, |10> 和 |11> dont les énergies sont ajustables magnétiquement. Ils sont couplés soit par des circuits permettant d'activer 和 de désactiver le couplage, soit de façon fixe avec des capacités, des inductances mutuelles, 要么 des résonateurs. Le couplage 和 le découplage s'obtiennent donc, quand il est nécessaire, en déplaçant les niveaux d'énergie. En principe, toute interaction susceptible de produire des états intriqués peut être utilisée pour faire une porte universelle.

早在2003年,就实现了带有两个由直流脉冲驱动的库珀对箱的门。 2007年,来自代尔夫特大学(University of Delft)的团队建立了一个逻辑门 (une inversion contrôlée) à deux qubits de flux. Dans cette porte, l'état du second qubit (dit cible) est inversé seulement lorsque l'état du premier (dit de contrôle) est à |1>. En d'autres termes, l'état |10> de la paire de qubits devient |11> 和 réciproquement, tandis que les autres états (|00> 和 |01>) restent inchangés (voir l'encadré page 67).

Une stratégie plus répandue consiste à mettre les deux qubits en résonance pendant un temps bien contrôlé (|10> 和 |01> ont alors la même énergie) 和 à les laisser évoluer librement sous l'influence de l'interaction dite d'échange. Cette interaction qui échange périodiquement les états |10> 和 |01> (un quantum d'énergie passe d'un qubit à l'autre) produit en un quart de période une porte logique universelle nommée œw∑∑w i 交换 , transformant par exemple l'état |01> en l'état intriqué |01>+ i|10> : le registre des deux bits est alors à la fois dans l'état « un quantum d'énergie dans le premier bit 和 pas dans le second » 和 dans l'état « un quantum d'énergie dans le second bit 和 pas dans le premier ».

一方面,这种门是在2006年和2007年开发的, 尼斯 ucsb 在一个镜头中分别对相位量子位进行电感耦合和测量,另一方面,在耶鲁大学,在同一个谐振器中插入了两个跨子,同时发挥了耦合器和寄存器读取器的作用(谐振器区分了四个寄存器状态,但不是一次全部)。 –w∑∑w i的平均保真度 交换 相位量子位达到88%。这种与阅读相关的表现甚至使团队 ucsb 观察2009年违反贝尔不平等现象的情况。

La même année, l'algorithme de Grover sur deux qubits a été testé à Yale avec un résonateur à deux transmons (voir la figure ci-dessus). Cet algorithme a pour but d'identifier quel état (parmi |00>, |01>, |10> 和 |11>) a été singularisé par un signe moins dans une superposition du type |00>+|01>–|10>+|11> (l'unique signe « – » peut être n'importe où).

La porte universelle utilisée ici est médiée par le résonateur 和 est du type « control-phase » (elle renverse le signe d'un seul des états de base |00>, |01>, |10> 要么 |11>). Elle s'obtient en déplaçant les fréquences des deux qubits. Dans l'expérience, elle est d'abord utilisée pour singulariser l'un des états d'une superposition à poids égal des quatre états de base. Le test complet nécessitant d'associer correctement huit portes à un qubit, deux portes « control-phase » 和 une lecture, ce système a été présenté comme un « premier processeur quantique ». Des puces similaires à trois 要么 quatre transmons 和 qubits de flux font l'objet d'expériences.

引用的最新实验表明,超导量子位已达到足够成熟的量子成熟阶段。至少对于资金雄厚的团体来说,争夺十个量子比特的功能处理器的竞争仍在继续。过去十年的进步是惊人的,并且该领域中很少有球员会相信这是可能的。当然,“优质量子比特”的所有特征(请参见第65页的方框)尚未得到满足。当然,受相干性限制的写入和读取操作的质量无法达到其他更微观系统(如捕获的离子)的质量。当然,我们的量子芯片只能在低于0.1开尔文的温度下运行,并且超导量子计算机不会在短期内入侵我们的超级市场。

走向宏观量子

但是,无论如何,约瑟夫森电路是大型的人造原子,其行为以量子方式已经确立。因此,它们为大量的基本量子力学实验铺平了道路(请参阅对页的侧栏),在这些实验中,有时它们的表现要优于真实原子!最后,它们将费曼已预见到的量子世界的巨大财富带回到我们的规模,并且我们长期以来一直认为仅限于微观物体的世界。今天谁能说出这一进展将使我们走多远...

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