Apa batasan membatasi ukuran qubit superkonduktor?

Ada beberapa cara membangun qubit: Superkonduktor (transmon), NV-pusat / spin-qubit, qubit topologi, dll.

Qubit superkonduktor adalah qubit paling terkenal dan juga yang paling mudah dibangun. Mesin-mesin oleh IBM dan Google, misalnya, menggunakan qubit superkonduktor.

Spin qubit memiliki ukuran dalam urutan beberapa nanometer dan karenanya memiliki kemampuan penskalaan yang hebat. Masalahnya dengan qubit superkonduktor, di sisi lain, adalah ukurannya. Rupanya, sulit untuk mengecilkan ukuran qubit superkonduktor (biasanya ~ 0,1mm).

Apa faktor pembatas dalam ukuran qubit superkonduktor dan mengapa faktor pembatas ini tidak dapat diperkecil?

Mendapatkan kapasitansi yang cukup dan mempertahankan koherensi pada dasarnya menetapkan batas ukuran. Qubit superkonduktor, untuk keperluan menjawab pertanyaan ini, dapat dibayangkan sebagai osilator yang terdiri dari induktor dan kapasitor. Frekuensi osilator tidak boleh terlalu tinggi jika tidak mengendalikan qubit menjadi sulit. Di Google, kami biasanya bekerja dengan rentang frekuensi 4-8 GHz. Berbagai alat pembuat gelombang, manipulasi, dan analisis gelombang mikro tersedia di pasaran untuk rentang ini.

Kapasitor dibangun dengan cara sederhana untuk mengurangi kebisingan. Pada dasarnya potongan plus berbentuk sepotong logam. Jenis-jenis teknik yang digunakan untuk mencapai kapasitor besar dalam ukuran kecil seperti sepasang sisir bertautan atau semacam sandwich multi-layer logam-dielektrik meningkatkan kekuatan medan dan karenanya kekuatan interaksi dengan ketidaksempurnaan dalam chip, meningkatkan kebisingan. Untuk mendapatkan kapasitansi besar dengan desain sederhana ini membutuhkan ruang yang signifikan. Memang, qubit kami lebih dekat ke pusat 1 mm ke pusat.

Itulah jawaban untuk pertanyaan Anda, tetapi ada premis dalam pengaturan pertanyaan Anda yang besar itu buruk. Menurut saya, kecil itu buruk, dan besar jauh lebih terukur.

Kami mengendarai qubit kami dengan gelombang mikro, ini biasanya dikirim dengan kabel koaksial dengan diameter saat ini dari pesanan 1/32 inci. Jika Anda membayangkan satu juta komputer qubit, pada skala kami ini adalah sekitar satu meter persegi, dan mendapatkan beberapa juta garis dalam suara sangat dapat dicapai. Saya tidak yakin mengapa Anda ingin superkomputer kuantum lebih kecil dari ini.

Saya ingin menambahkan komentar pada Austin Flowers tetapi mengatakan saya perlu 50 poin reputasi.

Jadi pada dasarnya Anda memerlukan frekuensi yang cukup rendah di sirkuit superkonduktor Anda (4-8 GHz adalah pilihan Google, untuk menggunakan alat spektroskopi gelombang mikro yang sudah mapan). Untuk mendapatkan frekuensi rendah, Anda perlu kapasitansi tinggi. Untuk mendapatkan kapasitansi tinggi, Anda perlu:

1. kapasitor ukuran besar (1 mm dari pusat ke pusat di Google), atau
2. teknologi eksotis seperti sepasang sisir bertautan, tetapi ini akan memperkuat decoherence.

Jadi membuat qubit yang lebih kecil dibatasi oleh (dalam beberapa cara hierarkis):

1. kurangnya alat murah untuk bekerja di wilayah frekuensi yang lebih tinggi (di atas 8 GHz)
2. ketidakmampuan untuk mendapatkan frekuensi yang cukup rendah tanpa menggunakan kapasitansi yang lebih besar (dapatkah ini dikurangi dengan menyesuaikan sifat-sifat induktor? Saya tidak tahu)
3. ketidakmampuan untuk mendapatkan kapasitansi besar tanpa membuat kapasitor besar [atau] ketidakmampuan untuk mendapatkan kapasitansi besar dalam kapasitor kecil tanpa meningkatkan kebisingan.

Cara sederhana untuk membuatnya adalah bahwa mereka dibatasi oleh decoherence / noise, tetapi ada cara lain untuk meningkatkan desain yang mungkin memungkinkan untuk membuat qubit lebih kecil tanpa meningkatkan noise terlalu banyak.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~

Saya punya satu komentar terakhir pada jawaban Austin Fowler, yang mempertanyakan validitas pertanyaan awal dengan mengatakan bahwa beberapa juta qubit dapat ditampung dalam beberapa meter persegi, jadi mengapa Anda menginginkan yang lebih kecil dari itu? Itu poin yang menarik. Dalam komputasi klasik kita terus berpikir tentang keinginan untuk membuatnya lebih kecil sehingga lebih banyak pertunjukan RAM dan lebih banyak pertunjukan ruang penyimpanan dapat masuk ke saku kita atau mengambil lebih sedikit ruang di atas meja, tetapi komputer kuantum saat ini hanya akan menjadi "superkomputer" seperti Austin Fowler dengan benar menunjukkan. Beberapa meter persegi tidak buruk untuk superkomputer.

Namun, tidak jelas apakah beberapa juta qubit akan cukup untuk melakukan perhitungan dunia nyata yang bermanfaat, berharga, seperti yang disarankan oleh serangkaian makalah algoritma Shor Austin (dengan koreksi kesalahan, yang pasti akan diperlukan untuk melakukan sesuatu yang bermanfaat, Anda akan membutuhkan milyaran qubit). Memang benar bahwa 100 qubit tidak dapat dengan mudah disimulasikan, secara umum, pada komputer klasik (orang-orang pernah berkata 25 qubit, kemudian 30 qubit, kemudian Haner & Steiger melakukan 45 qubit dengan 500TB RAM, kemudian Sergio Boixo mengatakan 47 qubit dalam array 7x7, kemudian kelompok IBM dan Cina mensimulasikan 60, kemudian 70, pada superkomputer klasik, jadi katakan saja 100 qubit untuk saat ini). Mensimulasikan sistem 100-qubit yang sepenuhnya terkendali akan menarik untuk mempelajari fisika sistem itu sendiri,

Sebagian besar masalah HPC dunia nyata: pemodelan cuaca, prediksi pasar saham, pemrosesan gambar untuk data satelit, astrofisika, dll. Tidak akan diselesaikan dengan beberapa juta qubit kesalahan qubit fisik yang mengoreksi seribu qubit logis. Jika kita membutuhkan satu miliar qubit untuk mengungguli komputer klasik pada masalah dunia nyata (saya pikir kita mungkin membutuhkan lebih banyak lagi), maka meter persegi Anda menjadi 1000 meter persegi yang merupakan 0,1 hektar. 10 miliar qubit akan mengambil semua rumput dalam jalur lari 400m, dan ini akan menjadi terlalu banyak upaya untuk mengendalikan dengan gelombang mikro, untuk mempertahankan dalam kondisi yang layak, dan untuk daya. ORNL's Titan adalah 400 meter persegi. Jika komputer kuantum diizinkan 1000 meter persegi (untuk 1 miliar qubit), maka mari kita izinkan komputer klasik menjadi sebesar itu.

Mudah-mudahan akan ada titik lintas di beberapa titik, tapi saya setuju keduanya dengan Austin (bahwa kami mencapai titik di mana ada banyak hal penting untuk dipikirkan daripada hanya ukuran qubit) dan dengan Nippons, yang mengajukan pertanyaan ini , karena tampaknya kita dapat menggunakan beberapa pengurangan ukuran untuk qubit.