Физики почти вдвое ускорили считывание кубитов в сверхпроводящих квантовых компьютерах

Исследователи из японского института RIKEN разработали метод, который позволяет значительно ускорить операцию считывания состояния кубитов в сверхпроводящих квантовых компьютерах. Это достижение может сделать такие вычислительные системы быстрее и надежнее.

Дилютный холодильник, используемый для охлаждения сверхпроводящего квантового компьютера. Квантовая схема находится внутри цилиндрического металлического экрана в нижней части фотографии. Автор: 2025 RIKEN Center for Quantum Computing

После десятилетий теоретических изысканий работающие квантовые компьютеры начинают появляться на практике. Для экспериментаторов, таких как Питер Спринг из Центра квантовых вычислений RIKEN (RQC), сейчас очень перспективное время для работы в этой области.

«Это очень захватывающе. Чувствуется, что это очень быстро развивающаяся область, которая набрала большую инерцию, — говорит Спринг. — И действительно кажется, что эксперименты догоняют теорию».

Когда зрелые квантовые компьютеры заработают в полную силу, они обещают произвести революцию в вычислениях, выполняя расчеты, которые недоступны даже современным суперкомпьютерам. И перспектива кажется уже не такой далекой.

В настоящее время несколько технологий борются за право стать основной платформой для квантовых компьютеров будущего. Одним из лидеров является технология на основе сверхпроводящих электрических цепей. Ее преимущество — возможность выполнять вычисления быстрее, чем другие технологии.

Из-за чрезвычайно чувствительной природы квантовых состояний жизненно важно регулярно исправлять ошибки, которые могут возникать. Это требует многократного измерения группы кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров. Однако эта операция медленнее, чем квантовые гейтовые операции, что создает своеобразное «узкое место» в работе системы.

«Если измерение кубитов происходит намного медленнее, чем все остальные операции, то это становится ограничивающим фактором для тактовой частоты, — объясняет Спринг. — Поэтому мы хотели выяснить, насколько быстро можно выполнять измерения кубитов в сверхпроводящей цепи».

Теперь Спрингу, Ясунобу Накамуре, также из RQC, и их коллегам удалось найти способ одновременно измерять четыре кубита в сверхпроводящих квантовых компьютерах всего за чуть более 50 наносекунд. Это примерно в два раза быстрее предыдущего рекорда. Результаты работы опубликованы в журнале PRX Quantum.

Специальный фильтр гарантирует, что линия измерения, используемая для отправки измерительных сигналов, не интерферирует с самим кубитом. Команда реализовала этот фильтр, «связав» резонатор считывания с фильтрующим резонатором таким образом, чтобы энергия от кубитов не могла уйти через измерительную линию.

Исследователям удалось измерить кубиты с очень высокой точностью, или «верностью».

«Мы были удивлены тому, насколько высокой оказалась верность считывания, — говорит Спринг. — На лучшем кубите мы достигли верности более 99,9%. Мы не ожидали такого результата при столь коротком времени измерения».

Команда намерена добиться еще более быстрого измерения кубитов, оптимизируя форму микроволнового импульса, используемого для измерения.

Больше информации: Peter A. Spring et al, Fast Multiplexed Superconducting-Qubit Readout with Intrinsic Purcell Filtering Using a Multiconductor Transmission Line, PRX Quantum (2025). DOI: 10.1103/prxquantum.6.020345

Источник: RIKEN