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Articulo de referencia

Transmon

Energías propias mi metro {\displaystyle E_{m}} (primeros tres niveles, metro = 0 , 1 , 2 {\displaystyle m=0,1,2} ) del hamiltoniano del cúbit en función de la carga de desplaza...

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Energías propiasmimetro{\displaystyle E_{m}}(primeros tres niveles,metro=0,1,2{\displaystyle m=0,1,2}) del hamiltoniano del cúbit en función de la carga de desplazamiento efectivanortegramo{\displaystyle n_{g}}para diferentes proporcionesmiJ/mido{\displaystyle E_{J}/E_{c}}Las energías se expresan en unidades de energía de transición.mi01{\displaystyle E_{01}}, evaluado en el punto de degeneraciónnortegramo=0,5{\displaystyle n_{g}=0.5}. El punto cero de energía se elige como el fondo de lametro=0{\displaystyle m=0}nivel. El cúbit de carga (pequeño)miJ/mido{\displaystyle E_{J}/E_{c}}, arriba) normalmente se opera en elnortegramo=0,5{\displaystyle n_{g}=0.5}"Punto óptimo" donde las fluctuaciones causan menos cambios de energía y la anarmonicidad es máxima. Transmon (grande)miJ/mido{\displaystyle E_{J}/E_{c}}(abajo) Los niveles de energía son insensibles a las fluctuaciones, pero la anarmonicidad se reduce.

En computación cuántica , y más específicamente en computación cuántica superconductora , un transmon es un tipo de cúbit de carga superconductora diseñado para tener una sensibilidad reducida al ruido de carga. El transmon fue desarrollado por Jens Koch, Terri M. Yu, Jay Gambetta , Andrew Houck , David Schuster, Johannes Majer, Alexandre Blais, Michel Devoret , Steven M. Girvin y Robert J. Schoelkopf en la Universidad de Yale y la Universidad de Sherbrooke en 2007. [ 1 ] [ 2 ] Su nombre es una abreviatura del término cúbit de oscilación de plasma con derivación de línea de transmisión ; uno que consiste en una caja de pares de Cooper "donde los dos superconductores también están [capacitivamente] en derivación para disminuir la sensibilidad al ruido de carga, mientras se mantiene una anarmonicidad suficiente para el control selectivo del cúbit". [ 3 ]

Un dispositivo que consta de cuatro cúbits transmon, cuatro buses cuánticos y cuatro resonadores de lectura fabricados por IBM y publicado en npj Quantum Information en enero de 2017. [ 4 ]

El transmon logra su sensibilidad reducida al ruido de carga al aumentar significativamente la relación entre la energía de Josephson y la energía de carga. Esto se consigue mediante el uso de un condensador de derivación grande. El resultado son espaciamientos de niveles de energía que son aproximadamente independientes de la carga de compensación. Los cúbits transmon planares en chip tienen tiempos de coherencia T1 de aproximadamente 30 μs a 40 μs. [ 5 ] Trabajos recientes han demostrado tiempos T1 significativamente mejorados de hasta 95 μs al reemplazar la cavidad de línea de transmisión superconductora con una cavidad superconductora tridimensional, [ 6 ] [ 7 ] y al reemplazar el niobio con tantalio en el dispositivo transmon, T1 se mejora aún más hasta 0,3 ms. [ 8 ] Estos resultados demuestran que los tiempos T1 anteriores no estaban limitados por las pérdidas de la unión Josephson . Comprender los límites fundamentales del tiempo de coherencia en cúbits superconductores como el transmon es un área activa de investigación.

Comparación con la caja de Cooper-pair

El diseño del transmon es similar al primer diseño del cúbit de carga [ 9 ] conocido como una "caja de pares de Cooper"; ambos se describen mediante el mismo hamiltoniano, siendo la única diferencia lamiJ/mido{\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}relación. AquímiJ{\displaystyle E_{\rm {J}}}es la energía de Josephson de la unión, ymido{\displaystyle E_{\rm {C}}}es la energía de carga inversamente proporcional a la capacitancia total del circuito de cúbit. Los transmons normalmente tienenmiJ/mido≫1{\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\gg 1}(mientrasmiJ/mido≲1{\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\lesssim 1}(para los cúbits típicos de la caja de pares de Cooper), lo cual se logra derivando la unión Josephson con un condensador grande adicional .

El beneficio de aumentar elmiJ/mido{\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}La relación es la insensibilidad al ruido de carga: los niveles de energía se vuelven independientes de la carga de compensación.nortegramo{\displaystyle n_{g}}a través de la unión; por lo tanto, el tiempo de desfase del cúbit se prolonga. La desventaja es la anarmonicidad reducida.α=(mi21−mi10)/mi10{\displaystyle \alpha =(E_{21}-E_{10})/E_{10}}, dóndemiij{\displaystyle E_{ij}}es la diferencia de energía entre los autoestados|i⟩{\displaystyle |i\rangle }y|j⟩{\displaystyle |j\rangle }La anarmonicidad reducida complica el funcionamiento del dispositivo como un sistema de dos niveles; por ejemplo, excitar el dispositivo desde el estado fundamental al primer estado excitado mediante un pulso resonante también puebla el estado excitado superior. Esta complicación se supera mediante un diseño complejo de pulsos de microondas, que tiene en cuenta los niveles de energía superiores y prohíbe su excitación por interferencia destructiva. Además, mientras que la variación demi10{\displaystyle E_{10}}con respecto anortegramo{\displaystyle n_{g}}tienden a disminuir exponencialmente conmiJ/mido{\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}, la anarmonicidad solo tiene una dependencia algebraica más débil demiJ/mido{\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}como∼(miJ/mido)−1/2{\displaystyle \sim (E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} })^{-1/2}}La ganancia significativa en el tiempo de coherencia compensa la disminución de la anarmonicidad para controlar los estados con alta fidelidad.

La medición, el control y el acoplamiento de los transmons se realizan mediante resonadores de microondas con técnicas de electrodinámica cuántica de circuitos, aplicables también a otros cúbits superconductores . El acoplamiento a los resonadores se realiza colocando un condensador entre el cúbit y el resonador, en el punto donde el campo electromagnético del resonador es máximo. Por ejemplo, en los dispositivos IBM Quantum Experience , los resonadores se implementan con guías de onda coplanares de " cuarto de onda " con campo máximo en el cortocircuito señal-tierra en el extremo de la guía de onda; por lo tanto, cada cúbit transmon de IBM tiene una "cola" de resonador larga. La propuesta inicial incluía resonadores de línea de transmisión similares acoplados a cada transmon, formando parte de su nombre. Sin embargo, los cúbits de carga operaban a un campo similar.miJ/mido{\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}Los regímenes acoplados a diferentes tipos de cavidades de microondas también se denominan transmones.

Aplicaciones

Procesadores cuánticos superconductores

Los transmons son el cúbit predeterminado en la mayoría de los procesadores cuánticos a gran escala, incluido el procesador Willow de Google , un chip con 105 cúbits transmon físicos. [ 10 ] Otras empresas que utilizan cúbits transmon incluyen IBM , Rigetti e IQM .

Memoria cuántica bosónica o híbrida

Si bien la mayoría de los sistemas de computación cuántica se basan en cúbits, un método alternativo consiste en utilizar modos de oscilador armónico, o modos bosónicos, como subespacio lógico. [ 11 ] [ 12 ] En estos sistemas, los transmones se utilizan como ancillas para el control universal de los modos bosónicos de la cavidad. [ 13 ] Esto permite la realización física de códigos de corrección de errores basados ​​en osciladores. [ 11 ] Estos códigos se conocen como «códigos bosónicos».

Transmons como qudits en lugar de qubits

Se ha explorado el uso de transmons como qudits d -dimensionales a través de los niveles de energía adicionales que aparecen naturalmente por encima del subespacio de qubits (los dos estados más bajos). Por ejemplo, los tres niveles más bajos se pueden usar para crear un qutrit transmon ; a principios de la década de 2020, los investigadores informaron sobre implementaciones de compuertas cuánticas de un solo qutrit en transmons [ 14 ] [ 15 ] , así como compuertas de entrelazamiento de dos qutrits [ 16 ] . También se han explorado teóricamente y en simulaciones las compuertas de entrelazamiento en transmons para el caso general de qudits de d arbitrario [ 17 ] .

Véase también

Referencias

  1. ↑ Koch, Jens; Yu, Terri M.; Gambetta, Jay; Houck, AA; Schuster, DI; Majer, J.; Blais, Alexandre; Devoret, MH; Girvin, SM; Schoelkopf, RJ (2007-10-12). "Diseño de cúbit insensible a la carga derivado de la caja de pares de Cooper". Physical Review A . 76 (4) 042319. arXiv : cond-mat/0703002 . Bibcode : 2007PhRvA..76d2319K . doi : 10.1103/physreva.76.042319 . ISSN 1050-2947 . S2CID 53983107 .  
  2. ↑ Schreier, JA; Houck, AA; Koch, Jens; Schuster, DI; Johnson, BR; et al. (2008-05-12). "Supresión de la decoherencia del ruido de carga en cúbits de carga superconductores". Physical Review B . 77 (18). American Physical Society: 180402. arXiv : 0712.3581 . Bibcode : 2008PhRvB..77r0502S . doi : 10.1103/physrevb.77.180502 . ISSN 1098-0121 . S2CID 119181860 .   
  3. ↑ Fink, Johannes M. (2010). No linealidades cuánticas en QED de circuitos de acoplamiento fuerte (Ph.D.). ETH Zurich .
  4. ↑ Gambetta, Jay M.; Chow, Jerry M. ; Steffen, Matthias (2017-01-13). "Construyendo cúbits lógicos en un sistema de computación cuántica superconductora" . npj Quantum Information . 3 (1). Springer Science and Business Media LLC: 2. arXiv : 1510.04375 . Bibcode : 2017npjQI...3....2G . doi : 10.1038/s41534-016-0004-0 . ISSN 2056-6387 . S2CID 118517248 .  
  5. ↑ Barends, R.; Kelly, J.; Megrant, A.; Sank, D.; Jeffrey, E.; et al. (2013-08-22). "Cúbito Josephson coherente adecuado para circuitos integrados cuánticos escalables". Physical Review Letters . 111 (8) 080502. arXiv : 1304.2322 . Bibcode : 2013PhRvL.111h0502B . doi : 10.1103/physrevlett.111.080502 . ISSN 0031-9007 . PMID 24010421 . S2CID 27081288 .    
  6. ↑ Paik, Hanhee; Schuster, DI; Bishop, Lev S.; Kirchmair, G.; Catelani, G.; et al. (2011-12-05). "Observación de alta coherencia en cúbits de unión Josephson medidos en una arquitectura QED de circuito tridimensional". Physical Review Letters . 107 (24) 240501. arXiv : 1105.4652 . Bibcode : 2011PhRvL.107x0501P . doi : 10.1103/physrevlett.107.240501 . ISSN 0031-9007 . PMID 22242979 . S2CID 19296685 .    
  7. ↑ Rigetti, Chad; Gambetta, Jay M.; Poletto, Stefano; Plourde, BLT; Chow, Jerry M.; et al. (2012-09-24). "Superconducting qubit in a waveguide cavity with a coherence time approaching 0,1 ms". Physical Review B . 86 (10) 100506. American Physical Society. arXiv : 1202.5533 . Bibcode : 2012PhRvB..86j0506R . doi : 10.1103/physrevb.86.100506 . ISSN 1098-0121 . S2CID 118702797 .   
  8. ↑ Place, Alexander PM; Rodgers, Lila VH; Mundada, Pranav; Smitham, Basil M.; Fitzpatrick, Mattias; Leng, Zhaoqi; Premkumar, Anjali; Bryon, Jacob; Vrajitoarea, Andrei; Sussman, Sara; Cheng, Guangming; Madhavan, Trisha; Cava, Robert J.; de Leon, Nathalie ; Houck, Andrew A. (2021-03-19). "Nueva plataforma de material para cúbits transmon superconductores con tiempos de coherencia que superan los 0,3 milisegundos" . Nature Communications . 12 (1): 1779. arXiv : 2003.00024 . Bibcode : 2021NatCo..12.1779P . doi : 10.1038/ s41467-021-22030-5 . ISSN 2041-1723 . PMC 7979772. PMID 33741989 .   
  9. ^ Bouchiat, V.; Vion, D.; Joyez, P.; Esteve, D.; Devoret, MH (1998). "Coherencia cuántica con un solo par de Cooper". Escritura física . 1998 (T76): 165. Código Bib : 1998PhST...76..165B . doi : 10.1238/Physica.Topical.076a00165 . ISSN 1402-4896 . S2CID 250887469 .  
  10. ↑ "El avance cuántico de Google es 'verdaderamente extraordinario', pero aún queda mucho por hacer" . ZDNET . Consultado el 7 de enero de 2026 .
  11. 12 Cai , Weizhou; Mamá, Yuwei; Wang, Weiting; Zou, Chang-Ling; Sol, Luyan (01/01/2021). "Códigos de corrección de errores cuánticos bosónicos en circuitos cuánticos superconductores" . Investigación fundamental . 1 (1): 50– 67. arXiv : 2010.08699 . doi : 10.1016/j.fmre.2020.12.006 . ISSN 2667-3258 . 
  12. ↑ Albert, Victor V.; Faist, Philippe, eds. (2022), "Bosonic code" , The Error Correction Zoo , consultado el 7 de enero de 2026.
  13. ↑ Ma, Wen-Long; Puri, Shruti; Schoelkopf, Robert J.; Devoret, Michel H.; Girvin, SM; Jiang, Liang (2021-09-15). "Control cuántico de modos bosónicos con circuitos superconductores" . Science Bulletin . 66 (17): 1789– 1805. arXiv : 2102.09668 . doi : 10.1016/j.scib.2021.05.024 . ISSN 2095-9273 . 
  14. ↑ Yurtalan, MA; Shi, J.; Kononenko, M.; Lupascu, A.; Ashhab, S. (27-10-2020). "Implementación de una puerta Walsh-Hadamard en un qutrit superconductor" . Physical Review Letters . 125 (18) 180504. arXiv : 2003.04879 . Bibcode : 2020PhRvL.125r0504Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.180504 . PMID 33196217. S2CID 128064435 .  
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  16. ↑ Goss, Noah; Morvan, Alexis; Marinelli, Brian; Mitchell, Bradley K.; Nguyen, Long B.; Naik, Ravi K.; Chen, Larry; Jünger, Christian; Kreikebaum, John Mark; Santiago, David I.; Wallman, Joel J.; Siddiqi, Irfan (2022-12-05). "Compuertas de entrelazamiento de qutrits de alta fidelidad para circuitos superconductores" . Nature Communications . 13 (1): 7481. arXiv : 2206.07216 . Bibcode : 2022NatCo..13.7481G . doi : 10.1038/s41467-022-34851-z . ISSN 2041-1723 . PMC 9722686 . PMID 36470858 .   
  17. ^ Fischer, Laurin E.; Chiesa, Alejandro; Tacchino, Francesco; Egger, Daniel J.; Carretta, Stefano; Tavernelli, Ivano (28 de agosto de 2023). "Síntesis de la puerta universal Qudit para transmones" . PRX Cuántico . 4 (3) 030327. arXiv : 2212.04496 . Código Bib : 2023PRXQ....4c0327F . doi : 10.1103/PRXQuantum.4.030327 . S2CID 254408561 .