Трансмон

В квантовых вычислениях , а точнее в сверхпроводящих квантовых вычислениях , трансмон — это тип сверхпроводящего зарядового кубита , предназначенный для снижения чувствительности к зарядовому шуму. Трансмон был разработан Робертом Дж. Шёлкопфом , Мишелем Деворе , Стивеном М. Гирвином и их коллегами из Йельского университета в 2007 году. Его название является аббревиатурой термина « линии передачи» шунтированных плазменных колебаний кубит ; тот, который состоит из коробки куперовской пары , «где два сверхпроводника также [емкостно] шунтированы, чтобы уменьшить чувствительность к зарядовому шуму, сохраняя при этом достаточный ангармонизм для избирательного управления кубитами».

Устройство, состоящее из четырех трансмон-кубитов, четырех квантовых шин и четырех считывающих резонаторов , изготовлено IBM и опубликовано в журнале npj Quantum Information в январе 2017 года.

Трансмон достигает пониженной чувствительности к зарядовому шуму за счет значительного увеличения отношения энергии Джозефсона к энергии заряда. Это достигается за счет использования большого шунтирующего конденсатора. В результате получаются расстояния между уровнями энергии, которые приблизительно не зависят от компенсационного заряда. Планарные трансмон-кубиты на кристалле имеют T ₁ время когерентности примерно от 30 до 40 мкс. Недавняя работа показала значительное улучшение T ₁ в раз до 95 мкс за счет замены сверхпроводящего резонатора линии передачи трехмерным сверхпроводящим резонатором. а за счет замены ниобия на тантал в трансмонном устройстве Т ₁ дополнительно улучшается до 0,3 мс. Эти результаты показывают, что предыдущие времена T ₁ не были ограничены потерями на джозефсоновском переходе . Понимание фундаментальных ограничений времени когерентности в сверхпроводящих кубитах, таких как трансмон, является активной областью исследований.

-

собственная энергия $E_{m}$(первые три уровня, $m=0,1,2$) гамильтониана кубита как функция эффективного заряда смещения $n_{g}$ для разных соотношений $E_{J}/E_{c}$. Энергии указаны в единицах энергии перехода. $E_{01}$, оцененный в точке вырождения $n_{g}=0.5$. Нулевая точка энергии выбрана в качестве нижней границы $m=0$ уровень. Зарядовый кубит (малый $E_{J}/E_{c}$, вверху) обычно работает $n_{g}=0.5$ «зона наилучшего восприятия», где флуктуации вызывают меньший сдвиг энергии и ангармонизм максимален. Трансмон (большой $E_{J}/E_{c}$, внизу) энергетические уровни нечувствительны к флуктуациям, но ангармонизм снижается.

Трансмонная конструкция аналогична первой конструкции зарядового кубита. известный как «коробка куперовской пары»; оба описываются одним и тем же гамильтонианом, с той лишь разницей, что $E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}$ соотношение. Здесь $E_{\rm {J}}$ – джозефсоновская энергия перехода, $E_{\rm {C}}$ — энергия зарядки обратно пропорциональна полной емкости кубитовой цепи. Трансмоны обычно имеют $E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\gg 1$ (пока $E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\lesssim 1$ для типичных кубитов куперовской пары), что достигается за счет шунтирования джозефсоновского перехода дополнительным конденсатором большой емкости .

Преимущество увеличения $E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}$ соотношение - это нечувствительность к зарядовому шуму - уровни энергии становятся независимыми от смещенного заряда. $n_{g}$ через перекресток; таким образом, время дефазировки кубита продлевается. Недостатком является пониженный ангармонизм. $\alpha =(E_{21}-E_{10})/E_{10}$, где $E_{ij}$ это разность энергий между собственными состояниями $|i\rangle$ и $|j\rangle$. Пониженный ангармонизм усложняет работу устройства, поскольку оно представляет собой двухуровневую систему: например, возбуждение устройства из основного состояния в первое возбужденное состояние резонансным импульсом также заселяет более высокое возбужденное состояние. Это осложнение преодолевается сложной конструкцией микроволновых импульсов, которая учитывает более высокие уровни энергии и запрещает их возбуждение деструктивными помехами. Кроме того, хотя вариация $E_{10}$относительно $n_{g}$ имеет тенденцию экспоненциально уменьшаться с $E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }$, ангармонизм имеет лишь более слабую, алгебраическую зависимость от $E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }$ как $\sim (E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} })^{-1/2}$. Значительный выигрыш во времени когерентности перевешивает уменьшение ангармоничности для управления состояниями с высокой точностью.

Измерение, контроль и соединение трансмонов осуществляется с помощью микроволновых резонаторов с использованием методов схемной квантовой электродинамики, которые также применимы к другим сверхпроводящим кубитам . Связь с резонаторами осуществляется путем размещения конденсатора между кубитом и резонатором в точке, где электромагнитное поле резонатора наибольшее. Например, в устройствах IBM Quantum Experience резонаторы реализованы в виде « четвертьволновых » копланарных волноводов с максимальным полем на сигнальной земле, короткой на конце волновода; таким образом, каждый трансмон-кубит IBM имеет длинный «хвост» резонатора. Первоначальное предложение включало в себя аналогичные резонаторы линии передачи , подключаемые к каждому трансмону, что стало частью названия. Однако зарядовые кубиты работали аналогично. $E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}$ режим, связанный с различными типами микроволновых резонаторов, также называются трансмонами.

как

Трансмоны были исследованы для использования в качестве d -мерных кудитов через дополнительные уровни энергии, которые естественным образом возникают над подпространством кубита (два нижних состояния). Например, три нижних уровня можно использовать для создания трансмонного кутрита ; В начале 2020-х годов исследователи сообщили о реализации однокутритных квантовых вентилей на трансмонах. а также двухкутритовые запутывающие ворота. Запутывающие ворота на трансмонах также исследовались теоретически и в моделировании для общего случая кудитов произвольного d .

См. также

• Зарядный кубит
• Ангармонизм
• Схема квантовой электродинамики (cQED)
• Холодильник для разбавления
• Список квантовых процессоров
• Квантовый гармонический осциллятор
• Сверхпроводящие квантовые вычисления