Em computação quântica, o fluxonium é um tipo de arquitetura de qubit supercondutor usado para computação quântica baseada em portas (gate-based) que é insensível ao ruído de carga deslocada. Ele é construído a partir de uma junção Josephson, um capacitor e um "superindutor" (um tipo de indutor) dispostos em um laço.
O fluxonium foi proposto pela primeira vez como candidato a um qubit por um grupo experimental da Universidade Yale liderado por Michel Devoret em 2009. Ele é um qubit do tipo fluxo, o que significa que seus níveis de energia correspondem a números inteiros de estados de fluxo/fase magnética. Esta arquitetura possui longos tempos de coerência e alta anarmonicidade (ou não linearidade), ambos importantes para arquiteturas de qubit bem-sucedidas. Ao alterar os valores relativos dos diferentes componentes do circuito, os fluxoniums podem ser projetados para ter outras propriedades, como resistência ao ruído. No entanto, o projeto requer métodos de fabricação complexos e, portanto, é difícil de escalar. miniaturadaimagem|O laço supercondutor do fluxonium, que consiste numa série de junções Josephson de área maior e uma junção Josephson de área menor, conforme revelado por um microscópio eletrônico. Imagem superior direita: componentes do circuito do fluxonium. Imagem inferior direita: uma junção Josephson de área mais reduzida. A arquitetura do fluxonium alcançou uma das coerências mais fortes para qualquer qubit supercondutor de estado sólido, com tempos de coerência no nível de milissegundos. Os fluxoniums são um candidato a qubit em um processador quântico, com algumas empresas como a D-Wave, Atlantic Quantum e Qilimanjaro focadas especificamente no desenvolvimento de hardware de computação quântica baseado em fluxonium.
Contexto Os primeiros qubits supercondutores de sucesso foram os qubits de carga, também conhecidos como caixas de Cooper. Estes designs consistiam em uma pequena ilha supercondutora conectada a um reservatório de pares de Cooper por uma junção Josephson. Eles sofriam de serem extremamente sensíveis ao ruído de carga, o que limitava seus tempos de coerência. Para combater este problema, a arquitetura transmon foi introduzida posteriormente, a qual incluía um capacitor de derivação (shunting) em um laço com o design inicial do qubit de carga. Neste regime, , o que achatava as bandas de energia de modo que o ruído de carga era suprimido exponencialmente. No entanto, o transmon sofre de baixa anarmonicidade, decaimento de Purcell e vazamento (leakage).
O dispositivo fluxonium foi desenvolvido para mitigar esses desafios, incorporando um indutor de derivação e sintonizando o circuito em um ponto específico de polarização de fluxo. Esta arquitetura permite que o dispositivo seja insensível ao ruído de carga "deslocado" (offset), um tipo de ruído causado por flutuações aleatórias do campo elétrico e que altera a frequência ressonante do sistema. Para ser imune a interferências de carga, o fluxonium emprega um "superindutor" como elemento derivador, que consiste em um conjunto de várias junções Josephson e se beneficia da indutância cinética de um supercondutor. Na prática, isso aterra o grau de liberdade da carga. Como resultado, os qubits fluxonium são mais resistentes à perda de informação e ao ruído do que as arquiteturas tradicionais. No entanto, o grande número de junções da matriz introduz significativamente mais complexidade ao circuito em comparação com os qubits de fluxo, o que representa um desafio para a escalabilidade dos fluxoniums.
Operação O fluxonium opera no regime de fluxo em vez do regime de carga. Isso significa que é um tipo de qubit de fluxo, em que os níveis de energia correspondem a diferentes números inteiros de quanta de fluxo magnético (em vez de carga elétrica). O fluxonium é inerentemente sintonizável por fluxo, o que significa que, ao aplicar fluxo magnético, é possível modular continuamente os níveis de energia (frequências ressonantes) do sistema.
Hamiltoniano Em um fluxonium, a junção e a indutância formam um laço supercondutor que pode então ser polarizado por um fluxo magnético externo. O Hamiltoniano para este sistema é:
onde é a energia de Josephson; é a energia de carregamento da capacitância total; é a energia indutiva do superindutor; é o operador do número de pares de Cooper e é a fase supercondutora através da junção Josephson.
O termo grande da energia indutiva, , provém do superindutor. O termo de Josephson inclui um desvio de fluxo, , demonstrando que as propriedades do fluxonium são fortemente dependentes do fluxo. A sintonia do fluxo altera a forma do potencial e a sensibilidade ao ruído de fluxo, sendo necessário escolher um bom ponto de operação para o fluxonium.
O ponto de operação mais comum é o ponto de meio fluxo porque é insensível ao ruído de fluxo em primeira ordem. As funções de onda neste ponto de polarização são poços duplos simétricos. Exatamente neste ponto, há máxima coerência e proteção contra o ruído de fluxo, pois é insensível a ele em primeira ordem. Neste ponto de polarização externa, o fluxonium tem uma frequência de ressonância entre 100 MHz e 1 GHz, e pode ter um tempo de relaxamento superior a 1 ms.
Neste ponto de operação, o deslocamento dispersivo pode ser muito pequeno, de modo que uma estratégia é polarizar um pouco fora de para a leitura.
Portas de um único qubit As portas de um único qubit usando fluxoniums têm uma fidelidade de um único qubit de até 99,998 por cento. Essa é a mais alta fidelidade para qualquer qubit supercondutor.
Os erros de contra-rotação, causados por acionamentos fortes e linearmente polarizados, tradicionalmente representam um problema para portas fluxonium de um único qubit de alta fidelidade. A aplicação de um pulso nos momentos corretos pode tornar os erros de contra-rotação consistentes de pulso a pulso e suprimir essa fonte de erro.
Frequência de operação O ruído dielétrico em qubits supercondutores cresce com a frequência. A arquitetura de qubit transmon padrão da indústria tem uma frequência operacional de 4-5 GHz. No entanto, os fluxoniums têm uma frequência operacional de 0,1-1 GHz. Operar nessas frequências mais baixas reduz o ruído dielétrico. Porém, a operação em frequências mais baixas geralmente significa tempos de porta mais lentos.
Portas de dois qubits Portas de dois qubits são operações que atuam em pares de qubits. A demonstração de portas de dois qubits de alta fidelidade é um passo importante para a obtenção de um processador quântico viável. Sua implementação é um tema de pesquisa em andamento na computação quântica supercondutora.
Acoplamento capacitivo As portas de dois qubits entre qubits supercondutores geralmente dependem do acoplamento capacitivo. No entanto, o acoplamento capacitivo direto entre fluxoniums resulta em fortes taxas indesejáveis de emaranhamento (erro ZZ) e no aumento dos erros de porta.
Arquitetura Fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) Uma arquitetura alternativa para portas de dois qubits fluxonium-fluxonium é mediada por acopladores transmon. Isso é conhecido como FTF, do inglês fluxonium-transmon-fluxonium. O FTF resolve os problemas do acoplamento direto de fluxoniums usando estados não computacionais para permitir acoplamentos mais fortes, ao mesmo tempo em que suprime a taxa de emaranhamento estático de fase controlada (ZZ).
Ver também
Computação quântica supercondutora Eletrodinâmica quântica de circuito
Referências