¿Qué limita la reducción del tamaño de qubits superconductores?

Existen múltiples formas de construir un qubit: superconductores (transmons), centros NV / spin-qubits, qubits topológicos, etc.

Los qubits superconductores son los qubits más conocidos y también son los más fáciles de construir. Las máquinas de IBM y Google, por ejemplo, utilizan qubits superconductores.

Los qubits de giro tienen tamaños del orden de unos pocos nanómetros y, por lo tanto, tienen grandes capacidades de escala. El problema con los qubits superconductores, por otro lado, es el tamaño. Aparentemente, es difícil reducir el tamaño de un qubit superconductor (típicamente ~ 0.1 mm).

¿Cuál es el factor limitante en el tamaño de los qubits superconductores y por qué no puede reducirse este factor limitante?

Obtener suficiente capacitancia y mantener la coherencia esencialmente establece el límite de tamaño. Un qubit superconductor, con el fin de responder a esta pregunta, se puede imaginar como un oscilador que consiste en un inductor y un condensador. La frecuencia del oscilador no puede ser demasiado alta; de lo contrario, controlar el qubit se vuelve difícil. En Google, generalmente trabajamos con el rango de frecuencia de 4-8 GHz. Una amplia gama de herramientas de generación, manipulación y análisis de microondas están disponibles en el mercado para este rango.

El condensador está construido de manera simple para reducir el ruido. Esencialmente un corte en forma de plus en una pieza de metal. Los tipos de técnicas utilizadas para lograr condensadores grandes en tamaños pequeños, como un par de peines de malla o algún tipo de sándwich de dieléctrico metálico multicapa, aumentan las intensidades de campo y, por lo tanto, la intensidad de la interacción con imperfecciones en el chip, aumentando el ruido. Para obtener una gran capacidad con este diseño simple se requiere un espacio significativo. De hecho, nuestros qubits están más cerca de 1 mm de centro a centro.

Esa es la respuesta a su pregunta, pero hay una premisa en la configuración de su pregunta que grande es malo. En mi opinión, pequeño es malo y grande es mucho más escalable.

Manejamos nuestros qubits con microondas, que generalmente se entregan con cables coaxiales de diámetro actualmente del orden de 1/32 de pulgada. Si imagina una computadora de un millón de qubits, a nuestra escala esto es aproximadamente un metro cuadrado, y obtener unos pocos millones de líneas en sonidos es muy posible. No estoy seguro de por qué querrías que una supercomputadora cuántica sea más pequeña que esta.

Quería agregar un comentario sobre Austin Flowers pero dice que necesito 50 puntos de reputación.

Esencialmente, necesita una frecuencia lo suficientemente baja en su circuito superconductor (4-8 GHz es la elección de Google, para utilizar las herramientas de espectroscopía de microondas establecidas). Para obtener una baja frecuencia, necesita una alta capacitancia. Para obtener una alta capacitancia, necesita:

1. un condensador de gran tamaño (1 mm de centro a centro en Google), o
2. tecnología exótica como un par de peines de malla, pero esto amplificará la decoherencia.

Entonces, hacer qubits más pequeños está limitado por (de alguna manera jerárquica):

1. La falta de herramientas baratas para trabajar en una región de mayor frecuencia (por encima de 8 GHz)
2. la incapacidad de llegar a frecuencias suficientemente bajas sin usar una capacitancia más grande (¿podría mitigarse ajustando las propiedades del inductor? No lo sé)
3. la incapacidad de obtener una gran capacidad sin hacer que el condensador sea grande [o] la incapacidad de obtener una gran capacidad en condensadores pequeños sin aumentar el ruido.

Una forma simple de decirlo es que están limitados por la decoherencia / ruido, pero hay otras formas de mejorar el diseño que podrían hacer que los qubits sean más pequeños sin aumentar demasiado el ruido.

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Tengo un comentario final sobre la respuesta de Austin Fowler, que cuestiona la validez de la pregunta original al decir que unos pocos millones de qubits pueden caber en unos pocos metros cuadrados, entonces, ¿por qué quieres algo más pequeño que eso? Ese es un punto interesante. En la informática clásica, seguimos pensando en querer hacerlos más pequeños para que puedan caber más gigas de RAM y más gigas de espacio de almacenamiento en nuestro bolsillo o ocupar menos espacio en la mesa, pero las computadoras cuánticas en la actualidad solo serían "supercomputadoras" como Austin Fowler señaló correctamente. Unos pocos metros cuadrados no son malos para una supercomputadora.

Sin embargo, no está claro si unos pocos millones de qubits serán suficientes o no para hacer un cálculo útil, valioso y del mundo real, como sugieren la serie de documentos de algoritmos Shor de Austin (con corrección de errores, que definitivamente será necesario para hacer algo útil, necesitarás miles de millones de qubits). Es cierto que 100 qubits no pueden simularse fácilmente, en general, en una computadora clásica (la gente dijo una vez 25 qubits, luego 30 qubits, luego Haner & Steiger hicieron 45 qubits con 500TB de RAM, luego Sergio Boixo dijo 47 qubits en una matriz de 7x7, luego IBM y grupos chinos simularon 60, luego 70, en supercomputadoras clásicas, así que digamos 100 qubits por ahora). Simular un sistema de 100 qubits totalmente controlable será interesante para estudiar la física del sistema mismo,

La mayoría de los problemas de HPC en el mundo real: modelado del clima, predicción del mercado de valores, procesamiento de imágenes para datos satelitales, astrofísica, etc. no se resolverán con un error de unos pocos millones de qubits de qubits físicos que corrija mil qubits lógicos. Si necesitamos mil millones de qubits para superar a una computadora clásica en un problema del mundo real (creo que podríamos necesitar aún más), entonces su metro cuadrado se convierte en 1000 metros cuadrados, que son 0.1 hectáreas. 10 mil millones de qubits ocuparían toda la hierba dentro de una pista de atletismo de 400 m, y esto va a ser demasiado esfuerzo para controlar con microondas, mantener en condiciones decentes y poder. Titán de ORNL es de 400 metros cuadrados. Si se permite que la computadora cuántica sea de 1000 metros cuadrados (por mil millones de qubits), entonces permitamos que la computadora clásica sea tan grande.

Espero que haya un punto de cruce en algún momento, pero estoy de acuerdo con Austin (que llegamos al punto en el que hay muchas cosas más importantes en las que pensar que solo el tamaño de los qubits) y con Nippons, quien hizo esta pregunta , porque parece que podemos usar alguna reducción de tamaño para los qubits.