Nederlands
Menu

Supergeleidende qubits versus qubits in ionenvallen: werking, bedrijfsomgeving, poortsnelheid, coherentie en connectiviteit

Beide zijn toonaangevende manieren om de qubits van een kwantumcomputer te bouwen. De supergeleidende aanpak gebruikt een supergeleidende schakeling van Josephson-juncties en condensatoren (zoals een transmon) als qubit en stuurt die aan met microgolfpulsen. Die kan op een chip worden gemaakt met dezelfde lithografie als halfgeleiders, maar moet in een verdunningskoeler tot ongeveer 10 mK worden gekoeld. De aanpak met ionenvallen gebruikt energieniveaus van de elektronen in ionen die in vacuüm door elektrische velden worden vastgehouden als qubit, en stuurt die aan met lasers of microgolven. In het algemeen hebben supergeleidende qubits snellere poorten, terwijl qubits in ionenvallen langere coherentietijden hebben en vrijer met elkaar kunnen worden verbonden.

KenmerkSupergeleidende qubitQubit in een ionenval
Wat de qubit isDe twee laagste energieniveaus van een supergeleidende schakeling van een Josephson-junctie en een condensator (zoals een transmon)Twee elektronische energieniveaus van een ion (zoals ytterbium of calcium) dat in vacuüm is ingevangen
Hoe hij wordt gemaaktMet lithografie als schakeling op een chip gefabriceerdAtomen worden geïoniseerd en daarna door elektrische velden van elektroden ingevangen en op een rij gezet
BedrijfsomgevingIn een verdunningskoeler gekoeld tot ongeveer 10 tot 20 mKUltrahoog vacuüm, met lasergekoelde ionen; er is geen millikelvinkoeler nodig (sommige systemen koelen tot enkele kelvin om het vacuüm te verbeteren)
AansturingMicrogolfpulsen van enkele GHzLasers (of microgolven)
Typische poortsnelheidSnel: poorten op twee qubits duren ongeveer tientallen tot honderden nsTraag: poorten op twee qubits duren ongeveer enkele µs tot honderden µs, vaak 2 tot 3 ordegroottes trager dan supergeleidende poorten
Typische coherentietijdOngeveer tientallen tot honderden µsLang: seconden, en onder sommige omstandigheden langer
ConnectiviteitGekoppeld via schakelingen op de chip, dus vooral tussen naburige qubitsIonen in dezelfde val delen gemeenschappelijke trillingen, dus poorten op twee qubits kunnen op elk paar worden toegepast
Spreiding tussen qubitsAls gefabriceerde schakelingen spreiden kleine verschillen in de juncties de frequenties, dus elke qubit moet worden gekalibreerdAlle ionen van dezelfde soort zijn identiek, dus er is geen fabricagespreiding
Uitdagingen bij opschalingHet aantal draden naar de koeler en de warmte die ze binnenbrengen, overspraak tussen qubits, verliezen door materiaaldefectenHet beperkte aantal ionen dat in één val past, en trage poorten; benaderingen die ionen verplaatsen of vallen met licht koppelen, worden onderzocht

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Supergeleidende qubit
Wanneer de snelle poorten moeten worden benut om veel circuits in korte tijd uit te voeren. Omdat de aanpak voortbouwt op halfgeleiderfabricage, is het eenvoudiger veel qubits op een chip te plaatsen.
Qubit in een ionenval
Wanneer lange coherentietijden en vrije connectiviteit tussen qubits belangrijk zijn. Elke poort is traag, maar circuits met veel interacties tussen qubits zijn gemakkelijker uit te voeren zonder extra omleidingsbewerkingen.

Veelgestelde vragen

Waarom moeten supergeleidende qubits tot ongeveer 10 mK worden gekoeld?

Niet alleen om het aluminium van de schakeling supergeleidend te maken (onder ongeveer 1,2 K), maar ook om thermische excitatie en ruis klein genoeg te maken. De energie hf van een qubit van 5 GHz komt overeen met een temperatuur van ongeveer 0,24 K, dus de temperatuur moet daar ruim onder liggen, en de ongeveer 4 K van vloeibaar helium is niet genoeg.

Waarom kunnen systemen met ionenvallen poorten toepassen tussen qubits die ver uit elkaar liggen?

Ionen die in dezelfde val op een rij staan, duwen elkaar af via de coulombkracht en delen dus de trillingen van de hele keten. Door met lasers de interne toestand van elk ion aan deze trillingen te koppelen, kan een poort op twee qubits tussen elk paar ionen worden toegepast, niet alleen tussen buren. Naarmate het aantal ionen groeit, liggen de trillingsmodi echter dichter bij elkaar en worden poorten moeilijker, dus het aantal ionen in één val is beperkt.

Hoe moeten poortsnelheid en coherentietijd worden vergeleken?

Wat telt, is niet alleen de absolute snelheid, maar hoeveel poorten er binnen de coherentietijd passen, en de betrouwbaarheid (fidelity) van de poorten. Supergeleidende qubits hebben snelle poorten maar een kortere coherentie, terwijl ingevangen ionen trage poorten maar een langere coherentie hebben, dus de benaderingen zijn niet met één enkel getal te vergelijken. De werkelijke prestaties worden beoordeeld op basis van fidelity, connectiviteit, uitleesfouten en meer samen, niet alleen op het aantal qubits.

Test uw begrip

Welke beschrijving van het verband tussen de defaseringstijd T2 en de energierelaxatietijd T1 van een qubit is juist?

  1. AT2 wordt onafhankelijk van T1 bepaald en is vaak meer dan 100 keer T1
  2. BT2 is bij elke qubit gelijk aan T1
  3. CT2 is niet groter dan 2T1
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. T2 is niet groter dan 2T1

T2 is de tijd tot de informatie over de relatieve fase van een superpositie α|0⟩ + β|1⟩ verloren gaat. Ook energierelaxatie vernietigt fase-informatie, dus geldt 1/T2 = 1/(2T1) + 1/Tφ, waarbij Tφ de zuivere defaseringstijd is door frequentiefluctuaties en vergelijkbare oorzaken, en daarom T2 ≤ 2T1. Met T1 = 100 µs en Tφ = 150 µs is T2 bijvoorbeeld ongeveer 86 µs. Bij echte qubits maken frequentiefluctuaties door flux- of ladingsruis T2 vaak aanzienlijk korter dan 2T1.

Welk element is onmisbaar om een supergeleidende qubit (transmon) als qubit te laten werken?

  1. AEen pn-junctiediode
  2. BEen MOSFET met floating gate
  3. CEen Josephson-junctie
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Een Josephson-junctie

Een Josephson-junctie bestaat uit twee supergeleiders met daartussen een dunne isolerende laag van ongeveer 1 tot 2 nm; er loopt een supergeleidende stroom doorheen zonder dat er een spanning ontstaat, en ze werkt als een verliesvrije niet-lineaire inductor. Een transmon is een resonantiekring die deze junctie combineert met een condensator. In een gewone LC-kring van een spoel en een condensator liggen de energieniveaus op gelijke afstand, zodat de overgang tussen |0⟩ en |1⟩ niet afzonderlijk kan worden aangestuurd; de niet-lineariteit van de junctie maakt de afstanden ongelijk, zodat de twee laagste niveaus als qubit kunnen worden gebruikt. De junctie wordt meestal gemaakt van aluminium en aluminiumoxide dat ontstaat door het oppervlak ervan te oxideren.

Wat is de belangrijkste reden dat supergeleidende qubits in een verdunningskoeler tot ongeveer 10 tot 20 mK worden afgekoeld?

  1. AOm de bedrading en juncties supergeleidend te maken en thermische excitatie van de qubits en thermische ruis voldoende klein te maken
  2. BOmdat afkoelen de bandgap van silicium vergroot en de qubitfrequentie verhoogt
  3. COmdat de elektronenmobiliteit bij lage temperatuur stijgt, waardoor poortbewerkingen 1000 keer sneller worden dan bij kamertemperatuur
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Om de bedrading en juncties supergeleidend te maken en thermische excitatie van de qubits en thermische ruis voldoende klein te maken

Het aluminium in transmons wordt onder ongeveer 1,2 K supergeleidend, waardoor resistieve verliezen verdwijnen. Bovendien komt de energie hf van een qubit met een frequentie van ongeveer 5 GHz overeen met een temperatuur van ongeveer 0,24 K; tenzij de thermische energie kT veel kleiner wordt gemaakt dan dat, wordt de qubit thermisch aangeslagen naar |1⟩ en komt er thermische ruis binnen via de bedrading. De temperatuur van vloeibaar helium, ongeveer 4 K, is daarom niet genoeg, en de qubits worden met een verdunningskoeler die een mengsel van helium-3 en helium-4 gebruikt tot ongeveer 10 mK afgekoeld. De snelheid van qubits wordt niet door de mobiliteit bepaald, en supergeleidende qubits gebruiken ook de bandgap van silicium niet.

  1. Welke beschrijving van dispersieve uitlezing, die veel wordt gebruikt om supergeleidende qubits uit te lezen, is juist?
  2. Welke beschrijving van een kwantumcomputer met ionenvallen is juist?
  3. Welke vergelijking van supergeleidende platformen en platformen met ionenvallen is het meest passend?

Oefenvragen over Hardware voor kwantumcomputers

Belangrijke termen uitgelegd

Qubit (kwantumbit)
De eenheid die informatie voorstelt in een kwantumcomputer. Een qubit kan zich in een superpositie α|0⟩ + β|1⟩ van |0⟩ en |1⟩ bevinden, en een meting geeft 0 met kans |α|² en 1 met kans |β|². Qubits worden gerealiseerd met supergeleidende schakelingen, ionen, neutrale atomen, elektronspins in silicium, fotonen en meer.
Transmon
Supergeleidende qubit die een Josephson-junctie combineert met een condensator. De frequentie is meestal enkele GHz, en de niet-lineariteit van de junctie maakt de afstanden tussen de energieniveaus ongelijk, zodat de twee laagste niveaus als qubit worden gebruikt. Het ontwerp maakt de transmon ongevoelig voor ladingsruis, en hij wordt veel gebruikt in supergeleidende platformen.
Josephson-junctie (Josephson junction)
Structuur waarin twee supergeleiders gescheiden zijn door een dunne isolerende laag of een vergelijkbare laag van ongeveer 1 tot 2 nm dik. Er loopt een supergeleidende stroom doorheen zonder dat er een spanning ontstaat, en ze werkt als een verliesvrije niet-lineaire inductor. Ze wordt gebruikt in supergeleidende qubits, ultragevoelige magnetische sensoren (SQUID's), spanningsstandaarden en meer. Voor qubits wordt ze meestal gemaakt van aluminium en het oxide daarvan.
Verdunningskoeler (dilution refrigerator)
Koelmachine die met een mengsel van helium-3 en helium-4 continu cryogene temperaturen van ongeveer 10 mK bereikt. Ze wordt gebruikt om supergeleidende qubits en spinqubits in silicium te laten werken. Het koelvermogen van de koudste trap is klein, ruwweg tien tot enkele tientallen µW, dus warmte die via de bedrading binnenkomt is een uitdaging bij opschaling.
Ionenval (ion trap)
Apparaat dat ionen met elektrische velden of vergelijkbare middelen in vacuüm vasthoudt, of de aanpak voor kwantumcomputers die zo'n apparaat gebruikt. Elektronische energieniveaus van de ionen dienen als qubits en worden aangestuurd met lasers of microgolven. Alle qubits zijn identiek, met lange coherentietijden en een hoge fideliteit, maar de poorten zijn trager dan bij supergeleidende platformen.
Decoherentie
Het proces waarbij een qubit door wisselwerking met zijn omgeving de fase- en energie-informatie van zijn superpositie verliest en zijn kwantumeigenschappen afbreken. De snelheid ervan wordt beschreven met de energierelaxatietijd T1 en de defaseringstijd T2.
Kwantumpoort (quantum gate)
Een elementaire bewerking die de toestand van qubits verandert. Er zijn poorten op één qubit, zoals X (bitflip), Z (faseflip) en H (hadamard), en twee-qubitpoorten zoals CNOT, en ze kunnen worden weergegeven als rotaties op de blochbol. Ze worden gerealiseerd met microgolfpulsen bij supergeleidende qubits en met lasers en vergelijkbare middelen bij ionen en neutrale atomen.

Verwante vergelijkingen