Quanten-Tauziehen
Verschränkende Wechselwirkungen zwischen künstlichen Atomen, vermittelt durch einen linkshändigen supraleitenden Multimode-Ringresonator
Die Implementierung eines fehlertoleranten Quantenprozessors erfordert die Kopplung von Qubits zur Erzeugung von Verschränkung. Supraleitende Qubits sind eine vielversprechende Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung, aber die Skalierung zu einem vollwertigen Quantencomputer erfordert die Verbindung vieler Qubits mit niedrigen Fehlerquoten. Herkömmliche Methoden beschränken die Kopplung oft auf die nächsten Nachbarn, erfordern einen großen Platzbedarf und erfordern zahlreiche Koppler, was die Herstellung erschwert.
So erfordert beispielsweise die paarweise Kopplung von 100 Qubits eine große Anzahl von Kopplern. Darüber hinaus würde die Steuerung einzelner Schaltkreiselemente und Koppler mit separaten Kabeln selbst für 1000 Qubits ein unpraktisch großes Volumen an Kabeln erfordern, so dass ein solches System nicht in einem großen Labor untergebracht werden kann, ganz zu schweigen von der Verwaltung von Millionen von Qubits. Dies unterstreicht den Bedarf an effizienteren und skalierbaren Kopplungsmethoden.
Ein Team von theoretischen Physikern unter der Leitung von Dr. Mohammad Ansari am FZJ hat in Zusammenarbeit mit dem experimentellen Team von Britton Plourde an der Syracuse University einen neuartigen Ansatz vorgestellt: Die Verwendung eines Multimode-Kopplers, der eine einstellbare Kopplungsstärke zwischen jedem beliebigen Qubit-Paar ermöglicht. Die in PRX Quantum veröffentlichte Forschungsarbeit verwendet einen gemeinsamen Koppler in Form eines Rings, der aus einer Metamaterial-Übertragungsleitung besteht. Dieses Design erzeugt ein dichtes Frequenzspektrum von Stehwellenresonanzen in der Nähe des Qubit-Übergangsfrequenzbereichs. Der linkshändige Ringresonator, der aus 24 induktiv geerdeten und kapazitiv gekoppelten Zellen besteht, weist oberhalb einer minimalen Grenzfrequenz eine dichte Reihe von Moden auf, wobei sich die Modenfrequenzen bei höheren Frequenzen weiter auseinander bewegen.
Diese einzigartige Konstruktion, bei der die Frequenz stehender Wellen linear proportional zu ihrer Wellenlänge ist, steht im Gegensatz zu herkömmlichen stehenden Wellen. So verdoppelt sich beispielsweise die Wellenlänge bei einer Verdopplung der Frequenz, im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, bei denen eine Verdopplung der Frequenz die Wellenlänge halbiert. Wie bei einem Musikinstrument, bei dem höhere Töne längeren Wellenlängen entsprechen – dieses Konzept widerspricht den herkömmlichen Erwartungen.
Zwei supraleitende Qubits, die an den Positionen 3 und 6 Uhr auf dem Ringresonator platziert sind, koppeln an die stehenden Wellen, wobei die Stärke der Wechselwirkung von der Amplitude der stehenden Wellen an ihren Positionen abhängt. Die Kopplung mehrerer Qubits an eine gemeinsame Resonanzmode führt zu transversalen Austauschwechselwirkungen, wobei die Kopplung von der Verstimmung der einzelnen Qubits auf die verschiedenen Moden abhängt. Diese Wechselwirkungen können positiv oder negativ sein. Darüber hinaus führen Wechselwirkungen zwischen höher angeregten Zuständen der einzelnen Qubits und den koppelnden Moden zu ZZ-Wechselwirkungen höherer Ordnung, die ebenfalls von der Verstimmung der Qubits abhängen und ihr Vorzeichen ändern können.
Diese Variabilität der Austausch- und ZZ-Wechselwirkungen stimmt gut mit theoretischen Modellen überein und ermöglicht die Abstimmung der Verschränkungsenergieskalen von großen Werten bis hin zu Null. Die Möglichkeit, dieses System auf mehr als zwei Qubits im Ring zu erweitern, macht es zu einer vielversprechenden Plattform für die Kontrolle der Verschränkung in großen Qubit-Anordnungen.
Originalpublikation
T. McBroom-Carroll, A. Schlabes, X. Xu, J. Ku, B. Cole, S. Indrajeet, M. D. LaHaye, M. H. Ansari, and B. L. T. Plourde (2024). Entangling Interactions Between Artificial Atoms Mediated by a Multimode Left-Handed Superconducting Ring Resonator. PRX Quantum, 5(2), 020325. https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.5.020325
Ansprechperson
Dr. Mohammad Ansari
Scientist, Principal Investigator
- Peter Grünberg Institut (PGI)
- Theoretische Nanoelektronik (PGI-2)
Raum 243
