The Signal
Ricercatori della USTC dimostrano gate quantistici multiplexati a quattro vie
Un articolo di ricercatori affiliati alla University of Science and Technology of China riferisce il controllo parallelo di quattro gate a singolo qubit e quattro gate a due qubit mediante segnali multiplexati in frequenza. L’esperimento no
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un articolo pubblicato su arXiv il 26 ottobre riferisce una dimostrazione di gate a singolo qubit e a due qubit multiplexati in frequenza a quattro vie su un processore superconduttore. Tra gli autori figurano ricercatori affiliati alla University of Science and Technology of China. Secondo l’articolo, l’approccio potrebbe ridurre il numero di linee di controllo di uno o due ordini di grandezza. La riduzione maggiore è una proiezione: nell’esperimento sono stati multiplexati quattro gate, mentre le cifre più ambiziose derivano da un modello dell’architettura.
Quattro gate condividono il controllo a microonde
Il multiplexing a divisione di frequenza assegna frequenze a microonde distinte ai segnali che condividono una linea di controllo. I ricercatori combinano gli impulsi dei gate in una forma d’onda multifrequenza, quindi usano filtri passa-banda per indirizzare ciascuna frequenza al qubit o all’accoppiatore a cui è destinata. A differenza del multiplexing a divisione di tempo, che invia le operazioni in intervalli temporali separati, questo metodo consente di eseguire in parallelo quattro gate selezionati.
Il lavoro affronta una lacuna nel controllo dei qubit superconduttori. La lettura e alcune operazioni a singolo qubit utilizzano già segnali multiplexati, ma i gate a due qubit si sono comunemente affidati a impulsi di flusso unipolari, privi di una frequenza portante che distingua le operazioni simultanee. Il team ha invece usato impulsi a microonde per azionare gate controlled-Z tramite accoppiatori regolabili, insieme a rotazioni di singoli qubit multiplexate in frequenza.
«Questi risultati mostrano che la condivisione delle frequenze può essere introdotta a livello dei gate senza una perdita misurabile di fedeltà, fornendo l’elemento di controllo dei gate mancante per un’architettura interamente a microonde che supporti il controllo quantistico universale».
Così scrivono Dayu Li e i suoi coautori nell’articolo.
La predistorsione compensa gli effetti dei filtri
Nell’esperimento a quattro vie, l’errore medio riportato è stato di 10,57 × 10-4 per i gate XY(π/2) a singolo qubit eseguiti in parallelo e di 6,43 × 10-3 per i gate controlled-Z eseguiti in parallelo. I ricercatori hanno confrontato questi risultati con i valori di riferimento ottenuti con canali dedicati e non hanno rilevato un aumento statisticamente significativo dell’errore dovuto al multiplexing, entro la risoluzione delle misurazioni dell’esperimento.
I filtri hanno distorto gli impulsi di controllo e inizialmente aumentato gli errori misurati. Il team ha applicato una predistorsione delle forme d’onda per compensare la risposta dei filtri; per i gate a singolo qubit, ha tenuto conto anche del divisore di potenza usato per creare il percorso condiviso del segnale. Il risultato costituisce un’indicazione che il filtraggio aggiuntivo e la combinazione dei segnali possono funzionare in questa configurazione, non una dimostrazione che ogni processore più grande manterrà le stesse prestazioni dei gate.
Le maggiori riduzioni del cablaggio sono proiezioni
L’architettura proposta combina il multiplexing a divisione di frequenza con quello a divisione di tempo e con sorgenti di corrente continua sul chip. Nella disposizione ripetuta periodicamente proposta dagli autori, quattro gruppi di accoppiatori utilizzano a turno risorse di controllo condivise, mentre i singoli accoppiatori all’interno di un gruppo attivo ricevono frequenze a microonde distinte. Con i parametri dei gate usati nell’esperimento, la disposizione modellata riduce il numero di linee di controllo a un dodicesimo rispetto a un sistema di riferimento con linee dedicate.
Un rapporto più ambizioso, pari a un quarantottesimo, vale solo nelle condizioni idealizzate indicate nell’articolo. La proiezione utilizza un’unità ripetuta di 32 qubit e 64 accoppiatori; l’esperimento fisico ha dimostrato un multiplexing a quattro vie, non un processore di quella scala. La spaziatura tra le frequenze, la diafonia, la larghezza di banda disponibile per il controllo e le prestazioni dei gate contribuiscono tutti a determinare quanti segnali l’architettura possa condividere.
La stima del raffreddamento esclude altri carichi termici
L’articolo stima anche il carico termico passivo dei cavi allo stadio della camera di miscelazione del frigorifero per un processore con 381.000 qubit fisici. Utilizzando un valore di riferimento citato di 350 picowatt per canale di cablaggio, gli autori calcolano circa 400,05 microwatt per il sistema di riferimento con linee dedicate e 33,34 microwatt per il caso con un dodicesimo delle linee. Nel caso idealizzato di un quarantottesimo il valore scende a 8,33 microwatt.
Queste cifre riguardano il contributo passivo dei cavi, non il bilancio termico complessivo del frigorifero; l’articolo esclude esplicitamente altri carichi criogenici. Gli autori stimano che il contributo dei cavi di controllo scenderebbe al di sotto di un livello di raffreddamento rappresentativo di 30 microwatt con un rapporto di multiplexing di circa 13,3. L’esperimento dimostra il controllo parallelo dei gate a quattro vie; il raggiungimento dei maggiori risparmi previsti dipenderà dalla possibilità di estendere questa disposizione preservando la separazione delle frequenze e la fedeltà dei gate.