ИСТИНА

Очень важной проблемой в области практической реализации квантовых вычислений является выполнение высокоточных операций. Для самой популярной реализации кубитов на сегодняшний день – трансмонов – модификаций джозефсоновского кубита с рядом преимуществ: высокими временами потери когерентности и хорошей масштабируемостью, эта проблема особенно актуальна. Главным минусом кубитов такого типа является малый параметр ангармоничности, что может приводить к утечкам состояния трансмона за пределы вычислительного базиса. С увеличением размеров современных квантовых процессоров появилась необходимость в разработке методов управления, позволяющих избавиться от необходимости большого количества микроволновых приборов, привносящих на кубит дополнительные шумы. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы является использование пикосекундных импульсов напряжения, создаваемых при помощи устройств цифровой сверхпроводящей электроники (джозефсоновских генераторов, работающих в импульсном режиме или SFQ-генераторов), которые могут располагаться как на том же чипе, что и кубиты [1], так и на другом чипе, соединенном с кубитным чипом при помощи технологии flip-chip [2]. В данной работе рассматривается возможность управления при помощи импульсов напряжения различной полярности. Последовательность импульсов представляет собой прямоугольные импульсы, которые подаются или не подаются на тактовой частоте генератора SFQ-импульсов ω_g,T=2π⁄ω_g . В таком цифровом подходе к управлению можно записывать управляющие сигналы в виде троичного кода, где «0» обозначает отсутствие импульса, «1» – наличие положительного импульса напряжения, «-1» – наличие отрицательного импульса напряжения на тактовой частоте генератора. Для решения задачи управления однокубитной системой нами были разработаны несколько оптимизационных подходов к решению задачи совершения высокоточной операции поворота состояния кубита. Эти подходы позволяют подобрать оптимальную последовательность импульсов для схемы управления при помощи устройств, называемых DC/SFQ конвертерами, которые способны преобразовать входящий сигнал троичного кода и гармонический сигнал на частоте ω_g в соответствующую последовательность импульсов напряжения пикосекундной длительности. Этот сигнал приходит на кубит и совершает необходимую однокубитную операцию. Подбор последовательности может осуществляться при помощи оптимизационных алгоритмов: покоординатного спуска [3], генетического алгоритма [4] или нейронных сетей на основе обучения с подкреплением [5]. Для расширения задачи на двухкубитные системы нами было предложено использовать генетические алгоритмы, поскольку они достаточно быстро находят нужное решения, но, при этом, в отличие от нейронных сетей, у них не очень большое количество гиперпараметров, значения которых нужно подбирать для достижения желаемого результата. В отличие от задачи от управления одиночных кубитов, задача оптимизации управления двухкубитной системой выглядит сложнее, поскольку существует множество подходов к выполнению двухкубитных операций. Для выполнения этой задачи в рамках SFQ-техники было решено использовать протокол на основе техники перекрестного резонанса (Cross-Resonance или CR-протокол). Основной принцип работы этого протокола заключается в том, чтобы подавать управляющий импульс на один кубит на частоте второго. Такой подход способен совершить ZY-операцию, то есть, состояние второго кубита будет зависеть от фазы первого кубита. Такой протокол называют CR0-протоколом, и на его основе можно построить другой протокол, CR1, выполняющий распространенную в квантовых вычислениях операцию CNOT. CR1 расширяется до CR0 при помощи двух дополнительных однокубитных операций. В данной работе была продемонстрирована возможность реализации CR0-протокола в рамках техники управления кубитами устройств быстрой сверхпроводящей электроники. Для этого был разработан алгоритм калибровки протокола, а затем – процедура оптимизации при помощи генетического алгоритма. Для двухкубитной системы с типичными параметрами были найдены последовательности, реализующие CR0 с точностью, близкой к 99%. Помимо этого, также была исследована возможность реализации произвольного протокола управления двухкубитной системой: для этого изучалась ситуация, когда на оба кубита подавались последовательности импульсов, подбираемые с помощью генетического алгоритма. В такой реализации двухкубитного управления также нашлись последовательности, способные совершить двухкубитную операцию с высокой точностью (~99 %). [1] E. Leonard Jr et al. // Phys. Rev. Appl. 11.1, 014009 (2019) [2] C. H. Liu et al. // arXiv preprint arXiv:2301.05696. (2023). [3] V. Vozhakov et al. // Quantum Science and Technology, 8(3), 035024 (2023) [4] M. Bastrakova et al. // Lobachevskii Journal of Mathematics, 44(1), 1-9. (2023) [5] M. Dalgaard, F. Motzoi, J. J. Sørensen, & J. Sherson, // npj Quantum Information, 6(1), 1-9 (2020).