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文檔簡介
ThismanuscripthasbeenauthoredbyFermiResearchAlliance,
LLCunderContractNo.DE-AC02-07CH11359withtheU.S.
DepartmentofEnergy,OfficeofScience,OfficeofHighEnergy
Physics.
AdvancesinSRFcavityarchitecturesforquantumcomputing
TanayRoy
SQMSdivision,Fermilab
QuantumTechnologiesforFundamentalPhysicsWorkshop,Erice,Italy3Sep2023
Reportnumber:FERMILAB-SLIDES-23-283-SQMS
BasicRequirementsforaQuantumComputer
Measure
quantumstates
01
Quantumtwolevelsystems
|1〉
|0〉
Couplemultiplequbits
|1〉
|0〉
|1〉
|0〉
r0+β|1〉
Createarbitrarystates
Scalablearchitecture
2
TanayRoy-Fermilab
DifferentPlatforms
Trappedions
NIST
3TanayRoy-Fermilab
Superconductingcircuits
SQMS
NVcentersNMRNeutralatoms
chemie.tu
Photoniccrystals
Quantumdots
SuperconductingCircuits
JosephsonJunction
Losslessnonlinearinductor
I?I21/2
LJI=φ0
4
200nm
Transmon
TanayRoy-Fermilab
200μm
Transmon:AnharmonicOscillator
3
2
1
0
|2?
|1?
|0?
Qubit
HarmonicOscillatorAnharmonicOscillator
5TanayRoy-Fermilab
OperatingTemperature
|2?
f01≈
~
1
2πLJC
5GHz
KBT??f01
|1?
|0?
AnharmonicOscillator
~20nH
~50fF
20mK~240mK
6TanayRoy-Fermilab
Dilutionfridge~10mK
TraditionalMulti-qubitArchitecture
Qudit
Linearorplanargeometry
Computationalspace:2
Canwedobetter?
Scaling:d,d>2
9
UCSB,Nature519(7541)
TanayRoy-Fermilab
IBM
ProblemofRelaxation
Linearorplanargeometry
UCSB,Nature519(7541)
IBM
T1~100μs
10
Q:afew106
TanayRoy-Fermilab
Canwedobetter?
ZooofCavities
Nat.Phys.16,247Science342,6158
Yale,U.Pittsburgh
11
Weizmann
arXiv:2302.06442
Under
exploration
TanayRoy-Fermilab
PRL127,107701
U.Chicago,Rutgers
High-Q3DSRFCavities
T1>2s
1.3GHzSRF:
>1000timesbetterthan
transmons
T1>300ms
5GHzSRF:
Romanenkoetal.PRApplied13,034032
Q>1011at1K
Q>1010at10mK
12
TanayRoy-Fermilab
High-Q3DCavitiesasQudits
Qudit
2
T1>150ms
|10
T1>30ms
T1n>T11/n
I
3〉
〉
|2
1〉
|0
Romanenkoetal.PRApplied13,034032
1
T1>300ms
Stillmuchbetterthantransmonqubits
13TanayRoy-Fermilab
Transmonvs.CavityDrive
Qubit:a
0+β|1〉
Qudit:a0
0+a1
1+…+ad|d〉
Im(a)
歡
D(a)
Re(a)
15TanayRoy-Fermilab
QuditOperation
Im(a)
Im(a)
D(a=1)
0
Quantumstate
1喻eiπ1
a0
0+a1
1+…+ad|d〉
1喻eiπ1
a0
0__a1
1+…+ad|d〉
n喻eiθ
n
Selectivenumber-dependentarbitraryphase(SNAP)gate
PRL115,137002(2015)
Re(a)
Re(a)
16TanayRoy-Fermilab
UniversalGateSet
Im(a)
D(a)
SNAP
Cavitydrive
Unconditional
operationoncavity
Qudit:a0
0+a1
1+?+ad|d?
SNAPgate
八
Qudit:a0eiθ0
0+a1eiθ1
1+?+adeiθd|d?
Re(a)
Universalcontrol
Conditionaloperationon
cavityenabledbyatransmon
17TanayRoy-Fermilab
FirstMilestone
IncorporateTransmonintoa
TESLAcavity
18TanayRoy-Fermilab
FirstMilestone
IncorporateTransmonintoa
TESLAcavity
19TanayRoy-Fermilab
FirstMilestone
Achievedphotoncounting
543
2
1
0
IncorporateTransmonintoa
TESLAcavity
KeytoDarkMatterdetection
20TanayRoy-Fermilab
SecondMilestone
Preparequantumstates
τ≈0.95ms
21
3
2
1
0
3
2
1
0
TanayRoy-Fermilab
Wignertomography
Fock|1〉
Fock|2〉
ParityParity
1
0
-1
1.5
0.0
-1.5
MultquditArchitecture
Coupler
Manipulator
Transmon
Crosstalkissues
Fasterscaling:N>2N
All-to-allcoupling
Moderate-QcavitiesHigh-Q3Dcavities
Storage
CPU
BUS
RAM
22TanayRoy-Fermilab
Outlook
Improvesingle-celldevices
>Optimizetransmondesign,placement
>InvestigateotherSRFcavitygeometries
Scalingup
>Developmodulararc
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