In an advance towards better control over large quantum computers, researchers have demonstrated a new tool to compensate for crosstalk in superconducting circuits.
“Ultimately, if we want to be able to build very large quantum computers, we’re going to need to keep errors to manageable levels,” said IQC and University of Waterloo Department of Physics and Astronomy faculty member Adrian Lupascu. “What we did in this paper was to tackle one point where errors creep in, which has to do with control signals.”
A superconducting chip can have many qubits—the quantum version of your classical computer bit—and scientists need to be able to send an electrical or magnetic signal to each one to control them individually.
Independent control is not so easy to maintain, however. With so many control lines so close together on the same chip, parts of signals get ‘borrowed’ by qubits they weren’t meant for, and the result is a noisy mess. This pollution is called crosstalk.
The ideal approach to dealing with crosstalk is to design your device so it doesn’t happen in the first place. But this easier said than done, and not always possible depending on the type of device you’re using.
The alternative approach is to compensate for the crosstalk. If qubit one is getting too much signal because it is being affected by the signal to qubit two, you can alter the level of signal going to each qubit to compensate. But there’s a problem: to compensate, you need to have a very accurate understanding of the crosstalk that’s happening. Large quantum systems are too complicated to simulate, which is part of the reason why they have the potential to be so powerful. But it also means it is difficult to model all their dynamics.
The researchers found another way. They created a fully automated tool that takes advantage of a known fundamental property of superconducting circuits to start with a rough estimate of crosstalk and iterates repeatedly until it has a very accurate characterization.
Coupling from the electric control signal (blue) to superconducting circuits (purple and orange). The solid black arrow indicates coupling to the intended loop and the dashed arrow indicates crosstalk to unintended loops. The teal arrow indicates interaction between circuit elements, which hampers crosstalk calibration measurement.
Importantly, the team demonstrated the tool on a device that is one of the largest quantum computers currently in operation, in terms of number of independent control signals, showing promising applications in the ever-growing systems of the future. And because it takes advantage of a fundamental property of superconducting systems, it is device-independent within that set of systems, meaning the specific design of a device is not a barrier to using this tool.
The team also developed a method to quantify the error in their tool’s procedure, letting them know how close they are to determining the actual crosstalk. So far, the results are promising; the error rates are well within the normal range for potentially achieving scalable quantum information processing.
The breakthrough was the result of a program in quantum annealing involving an international collaboration of more than ten partners across academia, government and industry, including MIT Lincoln Laboratory in Massachusetts, where much of the experimental work took place.
“I would say it is the most sophisticated data analysis tool that I have been involved with: being able to process so much data in a way that will be reliable without any human intervention, essentially—that is something that was very interesting to see,” said Lupascu.
First author Xi Dai, a PhD student at IQC and the Department of Physics and Astronomy, played a crucial role in making the breakthrough happen.
“Many implementations of quantum computing rely on electric control to manipulate qubits, and crosstalk is a major challenge to scaling up quantum computers,” said Dai. “We proposed an innovative crosstalk calibration procedure that is automated and implemented on superconducting devices with up to 27 control loops, which are among the largest in the community.”
The researchers’ work is another piece in the puzzle of a large, powerful quantum computer that do things totally impossible for a classical computer.
“If you want to build a meaningful quantum computer, you have to put many qubits together and maintain low error rates,” said Lupascu. “This will likely require a combination of fundamentally new science and major technical developments.”
The ultimate answer may be unclear, but compensating for crosstalk is a small but meaningful step towards a solution.
Calibration of flux crosstalk in large-scale flux-tunable superconducting quantum circuits was published in PRX Quantum on October 20, 2021.
Combattre la diaphonie dans les ordinateurs quantiques
Sur la voie d’une meilleure régulation d’ordinateurs quantiques de grande taille, des chercheurs ont fait la démonstration d’un nouvel outil pour compenser la diaphonie dans des circuits supraconducteurs.
« Ultimement, si nous voulons construire de très grands ordinateurs quantiques, il nous faudra maintenir les erreurs à un niveau qui soit gérable », a déclaré Adrian Lupascu, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo. « Dans cet article, nous montrons que nous avons réussi à maîtriser un point où des erreurs se glissent, celui qui concerne les signaux de commande. » [traduction]
Une puce supraconductrice peut comporter de nombreux qubits — version quantique des bits des ordinateurs classiques —, et les scientifiques doivent pouvoir envoyer un signal électrique ou magnétique à chacun des qubits pour les commander individuellement.
Cependant, il n’est pas facile de maintenir une régulation indépendante. Avec un aussi grand nombre de signaux de commande si rapprochés sur une même puce, des signaux sont partiellement « empruntés » par des qubits auxquels ils n’étaient pas destinés, et il en résulte un bruit confus. Cette pollution est appelée diaphonie.
Pour combattre la diaphonie, l’idéal est de concevoir dès le départ le dispositif concerné de manière à éviter ce phénomène. Mais cela est plus facile à dire qu’à faire et, selon le type de dispositif, ce n’est pas toujours possible.
Une autre méthode consiste à compenser la diaphonie. Si le qubit no 1 reçoit trop de signal parce qu’il est affecté par le signal destiné au qubit no 2, on peut compenser en modifiant le niveau de signal envoyé à chaque qubit. Mais le problème est alors le suivant : pour réaliser une compensation adéquate, il faut connaître avec précision la diaphonie qui se produit. Les grands systèmes quantiques sont trop difficiles à simuler, ce qui d’ailleurs va de pair avec leur grande puissance potentielle. Mais cela signifie aussi qu’il est difficile d’en modéliser toute la dynamique.
Les chercheurs ont trouvé un autre moyen. Ils ont créé un outil entièrement automatisé, qui exploite une propriété, fondamentale et connue, des circuits supraconducteurs pour faire une première estimation de la diaphonie. Leur outil procède ensuite par itération jusqu’à ce qu’il caractérise la diaphonie de manière très précise.
Couplage entre le signal électrique de commande (en bleu foncé) et les circuits supraconducteurs (en violet et orangé). La flèche noire pleine représente le couplage vers le circuit visé, alors que les flèches en pointillé représentent des couplages vers d’autres circuits. Les flèches bleu sarcelle représentent des interactions entre circuits, qui nuisent aux mesures d’étalonnage de la diaphonie.
Fait important, l’équipe a effectué la démonstration de son outil sur un dispositif qui constitue l’un des plus gros ordinateurs quantiques actuellement en fonctionnement, pour ce qui est du nombre de signaux de commande indépendants, ce qui est prometteur pour les systèmes de taille toujours croissante à venir. Et comme l’outil exploite une propriété fondamentale des systèmes supraconducteurs, on peut l’utiliser quelle que soit la conception du dispositif à base de circuits supraconducteurs.
L’équipe a également élaboré une méthode de quantification de l’erreur due au fonctionnement de l’outil, ce qui permet de savoir jusqu’à quel point on arrive à déterminer la diaphonie réelle du dispositif mesuré. Les résultats obtenus jusqu’à maintenant sont prometteurs : les taux d’erreur sont bien en deçà des seuils compatibles avec un traitement extensible de l’information quantique.
Cette percée résulte d’un programme international de recuit quantique auquel participent plus de 10 partenaires des milieux universitaire, gouvernemental et industriel. L’un de ces partenaires est le Laboratoire Lincoln du MIT, au Massachusetts, où a eu lieu une grande partie du travail d’expérimentation.
« Je dirais que c’est l’outil d’analyse le plus perfectionné sur lequel j’ai travaillé, dit M. Lupascu. C’est très intéressant de voir la capacité de traiter tant de données de manière fiable et essentiellement sans intervention humaine. » [traduction]
Le premier auteur de l’article, Xi Dai, doctorant à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie, a joué un rôle crucial dans cette percée.
« De nombreuses mises en œuvre du calcul quantique reposent sur la régulation électrique de qubits, dit M. Dai, et la diaphonie est un obstacle important à la réalisation d’ordinateurs quantiques de grande taille. Nous avons proposé une méthode automatisée innovatrice d’étalonnage de la diaphonie, et nous l’avons appliquée à des dispositifs supraconducteurs comportant jusqu’à 27 boucles de régulation, nombre parmi les plus élevés dans le domaine. » [traduction]
Ces travaux forment une autre pièce du casse-tête que constitue un ordinateur quantique puissant, capable d’effectuer des opérations totalement hors de portée d’un ordinateur classique.
« Pour construire un ordinateur quantique utile, dit M. Lupascu, il faut assembler de nombreux qubits et maintenir de faibles taux d’erreur. Cela exigera probablement une combinaison de concepts scientifiques fondamentalement nouveaux et d’avancées techniques majeures. » [traduction]
On ne voit peut-être pas clairement la réponse ultime, mais la compensation de la diaphonie constitue une étape petite mais utile vers une solution.
L’article Calibration of flux crosstalk in large-scale flux-tunable superconducting quantum circuits (Étalonnage de la diaphonie dans des circuits quantiques supraconducteurs réglables et de grande taille) a été publié le 20 octobre 2021 dans PRX Quantum.