Китайский научно-технический университет добился прогресса в подавлении утечки спектаторных кубитов в сверхпроводящих квантовых вычислениях

Физический факультет Китайского научно-технического университета добился прогресса в исследованиях масштабируемых сверхпроводящих квантовых вычислений: профессор Го Гопин, доцент Дуань Пэн и их коллеги предложили метод динамического управления гамильтонианом на основе инженерии инвариантного подпространства (инженерия инвариантного подпространства) для решения проблемы утечки спектаторных кубитов, вызванной частотной скученностью в крупномасштабных сверхпроводящих квантовых процессорах. Метод позволяет активно реконструировать динамику системы в условиях почти резонанса с помощью настраиваемых каплеров, эффективно подавляя утечку спектаторных кубитов. Результаты опубликованы 4 сентября в международном физическом журнале «Физический обзор летерс».

С ростом масштабов сверхпроводящих квантовых чипов кубиты, каплеры и связанные энергетические уровни на чипе становятся всё более плотными, и частотная скученность и частотные коллизии постепенно становятся важной проблемой, ограничивающей масштабирование квантовых процессоров. При выполнении двухкубитных квантовых вентилей, таких как управляемый Z-вентиль (управляемый Z-вентиль), кубиты, участвующие в операции, могут входить в область почти резонанса с окружающими спектаторными кубитами, которые напрямую не участвуют в операции, что приводит к нежелательному когерентному обмену и утечке квантового состояния за пределы вычислительного пространства. Традиционные методы обычно тщательно планируют частоты кубитов, чтобы избежать этих условий почти резонанса; однако с ростом числа кубитов, связности и количества параллельных квантовых вентилей доступное частотное пространство становится всё более перегруженным, и стратегия простого избегания частот сталкивается со всё большими трудностями масштабирования. Исследовательская группа предложила метод подавления утечки на основе инженерии инвариантного подпространства. Когда спектаторный кубит приближается к резонансу, двухуровневая динамика, изначально используемая для реализации управляемого Z-вентиля, расширяется до трёхуровневого взаимодействия, включающего спектаторное состояние. Исследователи динамически регулируют настраиваемый каплер, соответствующий спектаторному кубиту, реорганизуя соответствующие квантовые состояния в «яркие» и «тёмные» состояния, и развязывают тёмное состояние от подпространства операции вентиля, преобразуя гамильтониан системы в блочно-диагональную форму.

Исследовательская группа экспериментально проверила схему на сверхпроводящем квантовом процессоре «Укун» («Укун»). В условиях почти резонанса с одним спектаторным кубитом динамическое управление снизило вероятность утечки на спектаторный кубит для одного управляемого Z-вентиля с 1.215×10⁻³ до 4(3)×10⁻⁵, что составляет подавление примерно в 30 раз. При этом ошибка управляемого Z-вентиля снизилась до уровня, сопоставимого с базовой производительностью вентиля при большом отклонении от резонанса спектаторного кубита. Дальнейший анализ ошибок показал, что наблюдаемое снижение ошибки вентиля согласуется с подавлением утечки и сопутствующих когерентных ошибок. В рамках исследования масштабируемости метода группа изучила ситуацию, когда несколько спектаторных кубитов одновременно входят в область почти резонанса. Эксперименты показали, что утечки от разных спектаторных кубитов в исследуемом диапазоне параметров приблизительно независимы и могут быть синхронно подавлены путём индивидуальной регулировки соответствующих настраиваемых каплеров. Исследователи также провели статистические тесты в нескольких различных 5-кубитных областях и при различных конфигурациях спектаторных кубитов, получив стабильные и воспроизводимые результаты подавления утечки.