O que limita a redução do tamanho dos qubits supercondutores?

Existem várias maneiras de construir um qubit: Supercondutor (transmons), centros NV / spin-qubits, qubits topológicos, etc.

Os qubits supercondutores são os mais conhecidos e também os mais fáceis de construir. As máquinas da IBM e do Google, por exemplo, usam qubits supercondutores.

Os qubits de rotação têm tamanhos na ordem de alguns nanômetros e, portanto, têm excelentes recursos de escala. O problema com qubits supercondutores, por outro lado, é o tamanho. Aparentemente, é difícil diminuir o tamanho de um qubit supercondutor (normalmente ~ 0,1 mm).

Qual é o fator limitante no tamanho dos qubits supercondutores e por que esse fator limitante não pode ser reduzido?

Obter capacitância suficiente e manter a coerência basicamente definem o limite de tamanho. Um qubit supercondutor, para responder a essa pergunta, pode ser imaginado como um oscilador que consiste em um indutor e um capacitor. A frequência do oscilador não pode ser muito alta, caso contrário, o controle do qubit se torna difícil. No Google, normalmente trabalhamos com a faixa de frequência de 4 a 8 GHz. Uma ampla variedade de ferramentas de geração, manipulação e análise de microondas está disponível de prateleira para esse intervalo.

O capacitor é construído de maneira simples para reduzir o ruído. Essencialmente, um corte em forma de mais em um pedaço de metal. Os tipos de técnicas usadas para obter capacitores grandes em tamanhos pequenos, como um par de pentes de malha ou algum tipo de sanduíche metal-dielétrico multicamada, aumentam as forças de campo e, portanto, a força de interação com imperfeições no chip, aumentando o ruído. Para obter uma grande capacitância com esse design simples, é necessário um espaço significativo. De fato, nossos qubits estão mais próximos de 1 mm, centro a centro.

Essa é a resposta para sua pergunta, mas há uma premissa na configuração da sua pergunta de que grande é ruim. Na minha opinião, pequeno é ruim e grande é muito mais escalável.

Conduzimos nossos qubits com microondas, que geralmente são entregues com cabos coaxiais de diâmetro atualmente na ordem de 1/32 de polegada. Se você imaginar um computador com um milhão de qubit, em nossa escala isso é de cerca de um metro quadrado, e conseguir alguns milhões de linhas em sons muito viáveis. Não sei por que você deseja que um supercomputador quântico seja menor que isso.

Eu queria adicionar um comentário sobre Austin Flowers, mas ele diz que preciso de uma reputação de 50 pontos.

Então, basicamente, você precisa de uma frequência suficientemente baixa em seu circuito supercondutor (4-8 GHz é a escolha do Google, para fazer uso das ferramentas estabelecidas de espectroscopia de microondas). Para obter uma frequência baixa, você precisa de uma alta capacitância. Para obter uma alta capacitância, você precisa:

1. um capacitor de tamanho grande (1 mm de centro a centro no Google), ou
2. tecnologia exótica, como um par de pentes de malha, mas isso ampliará a decoerência.

Portanto, fazer qubits menores é limitado por (de alguma forma hierárquica):

1. a falta de ferramentas baratas para trabalhar em uma região de frequência mais alta (acima de 8 GHz)
2. a incapacidade de obter frequências baixas o suficiente sem usar maior capacitância (isso poderia ser mitigado ajustando as propriedades do indutor? Não sei)
3. a incapacidade de obter grande capacitância sem aumentar o capacitor [ou] a incapacidade de obter grande capacitância em pequenos capacitores sem aumentar o ruído.

Uma maneira simples de dizer isso é que eles são limitados pela decoerência / ruído, mas existem outras maneiras de melhorar o design que podem tornar os qubits menores sem aumentar muito o ruído.

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Tenho um comentário final sobre a resposta de Austin Fowler, que questiona a validade do quesiton original, dizendo que alguns milhões de qubits podem caber em alguns metros quadrados, então por que você quer algo menor que isso? Esse é um ponto interessante. Na computação clássica, continuamos pensando em querer diminuí-las para que mais shows de RAM e mais shows de espaço de armazenamento caibam no nosso bolso ou ocupem menos espaço na mesa, mas os computadores quânticos atualmente seriam apenas "supercomputadores" Austin Fowler apontou corretamente. Alguns metros quadrados não são ruins para um supercomputador.

No entanto, não está claro se alguns milhões de qubits serão suficientes para fazer qualquer cálculo útil e valioso no mundo real, como sugerem as séries de documentos do algoritmo Shor de Austin (com correção de erros, que definitivamente será necessária para fazer algo útil, você precisará de bilhões de qubits). É verdade que 100 qubits não podem ser facilmente simulados, em geral, em um computador clássico (as pessoas já disseram 25 qubits, depois 30 qubits, depois Haner & Steiger fizeram 45 qubits com 500 TB de RAM, então Sergio Boixo disse 47 qubits em uma matriz 7x7, os grupos IBM e chinês simularam 60, depois 70, em supercomputadores clássicos, então digamos 100 qubits por enquanto). Simular um sistema de 100 qubit totalmente controlável será interessante para estudar a física do próprio sistema,

A maioria dos problemas no mundo real de HPC: modelagem climática, previsão de mercado de ações, processamento de imagens para dados de satélite, astrofísica etc. não serão resolvidos com alguns milhões de qubits de erro físico de qubits, corrigindo milhares de qubits lógicos. Se precisarmos de um bilhão de qubits para superar um computador clássico em um problema do mundo real (acho que talvez precisemos ainda mais), seu metro quadrado se tornará 1000 metros quadrados, ou seja, 0,1 hectares. 10 bilhões de qubits ocupariam toda a grama em uma pista de corrida de 400m, e isso será um esforço demais para controlar com microondas, manter em condições decentes e fornecer energia. O Titan do ORNL tem 400 metros quadrados. Se o computador quântico tiver 1.000 metros quadrados (para 1 bilhão de qubits), vamos permitir que o computador clássico seja tão grande.

Espero que haja um ponto de cruzamento em algum momento, mas eu concordo tanto com Austin (que chegamos ao ponto em que há muitas coisas mais importantes para se pensar além do tamanho dos qubits) quanto com Nippons, que fizeram esta pergunta , porque parece que podemos usar alguma redução de tamanho para os qubits.