トグルスイッチは量子コンピュータのノイズを低減します

量子コンピューターのノイズを低減するデバイスが、米国国立標準技術研究所 (NIST) の科学者チームによって導入されました。

「トグルスイッチ」デバイスは、2 つの超伝導量子ビットを、量子ビットの計算の出力を読み取ることができる「読み出し共振器」と呼ばれる回路に接続します。

このトグル スイッチをさまざまな状態に切り替えると、量子ビットと読み出し共振器の間の接続の強度を調整できます。

オフにすると、3 つの要素すべてが互いに分離されます。

スイッチをオンにして 2 つの量子ビットを接続すると、相互作用して計算を実行できるようになります。

計算が完了すると、トグル スイッチは量子ビットと読み出し共振器のいずれかを接続して結果を取得できます。

プログラム可能なトグル スイッチを搭載することは、量子ビットが計算を行って結果を明確に表示することを困難にする量子コンピューター回路の一般的な問題であるノイズの削減に大いに役立ちます。

写真はデバイスの中央作業領域を示しています。 下のセクションでは、3 つの大きな長方形 (水色) が左右の 2 つの量子ビット (量子ビット) と中央の共振器を表しています。 上の拡大セクションでは、アンテナ (下部の大きな濃い青色の長方形) を通してマイクロ波を駆動すると、SQUID ループ (中央の小さな白い正方形、一辺の長さが約 20 マイクロメートル) に磁場が誘導されます。 磁場によりトグルスイッチが作動します。 マイクロ波の周波数と大きさによって、スイッチの位置と量子ビットと共振器間の接続の強さが決まります。 クレジット: K. Cicak および R. Simmond

「目標は、量子ビットが気を散らすことなく計算できるようにしながら、必要なときに量子ビットを読み出せるようにすることです」と、NISTの物理学者で論文著者の1人であるレイ・シモンズ氏は述べた。 「このデバイス アーキテクチャは量子ビットの保護に役立ち、量子ビットから量子情報プロセッサを構築するために必要な高忠実度の測定を行う能力の向上が期待できます。」

このチームには、マサチューセッツ大学ローウェル校、コロラド大学ボルダー校、レイセオン BBN テクノロジーズの科学者も含まれています。

量子コンピュータの設計者が直面する問題の 1 つは、量子回路が、コンピュータの製造に使用される材料の欠陥から生じる外部ノイズ、さらには内部ノイズによって悪影響を受けることです。

このノイズは本質的にランダムな動作であり、量子ビット計算でエラーを引き起こす可能性があります。

現在の量子ビットは本質的にそれ自体にノイズが多く含まれていますが、問題はそれだけではありません。 多くの量子コンピューター設計は、いわゆる静的アーキテクチャを備えており、プロセッサー内の各量子ビットが隣接する量子ビットとその読み出し共振器に物理的に接続されています。

量子ビット同士を接続し、その読み出しに接続する製造配線は、量子ビットをさらに多くのノイズにさらす可能性があります。

このような静的アーキテクチャには、簡単に再プログラムできないという別の欠点もあります。 静的アーキテクチャの量子ビットはいくつかの関連するジョブを実行できますが、コンピューターがより広範囲のタスクを実行するには、異なる量子ビット構成またはレイアウトを備えた別のプロセッサ設計に交換する必要があります。

(別のソフトウェアを使用する必要があるたびにラップトップのチップを交換することを想像してください。その後、チップを絶対零度よりわずかに上に保つ必要があると考えると、これが不便である理由がわかります。)

チームのプログラム可能なトグル スイッチは、これらの問題の両方を回避します。 まず、回路ノイズが読み出し共振器を通じてシステムに侵入するのを防ぎ、静かであるはずの量子ビットが相互に会話するのを防ぎます。

「これにより、量子コンピュータの主要なノイズ源が削減されます」とシモンズ氏は述べています。

第 2 に、要素間のスイッチの開閉は、静的アーキテクチャの物理的な接続を介してではなく、遠くから送信される一連のマイクロ波パルスによって制御されます。 これらのトグル スイッチをさらに統合することで、より簡単にプログラムできる量子コンピューターの基礎となる可能性があります。