Высокоточная трехкубитная ССZ операция на сверхпроводниковых кубитах-флаксониумах, активируемая микроволновым возбуждением связующего элемента.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-72-01067

НазваниеВысокоточная трехкубитная ССZ операция на сверхпроводниковых кубитах-флаксониумах, активируемая микроволновым возбуждением связующего элемента.

Руководитель Сеидов Сеидали Сахиб оглы, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость

Ключевые слова кубит флаксониум, мультикубитные операции, CCZ операция, операция Тоффоли, квантовый процессор,

Код ГРНТИ29.05.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект посвящен исследованию и разработке новых квантовых электрических цепей, выполненных на основе сверхпроводниковых кубитов-флаксониумов. Сверхпроводниковые кубиты одна из наиболее успешных платформ для реализации квантовых вычислений и создания квантовых симуляторов. Большинство успехов связано с применением квантовых электрических схем на основе кубитов-трансмонов. Однако времена когерентности и ангармонизм кубитов-трансмонов существенно ограничены (характерные времена жизни трансмонов обычно не превышают 100 мкс, а ангармонизм – нескольких сотен мегагерц), что снижает вероятность качественного скачка результатов в области сверхпроводниковых квантовых вычислений без изменения основного элемента схемы. Кубиты-флаксониумы – многообещающая альтернатива трансмонам ввиду существенно больших времен когерентности (рекорд более 1 мс) и ангармонизма (порядка 1 ГГц). Актуальность применения схем на основе флаксониумов в мире растет. Недавно были продемонстрированы быстрые однокубитные операции, предложены и показаны различные способы реализации двухкубитных операций с использованием перестраиваемого соединительного элемента или без него. Также теоретически была предложена схема реализации трёхкубитной логической операции (квантовый оператор Тоффоли). Однако данный способ реализации обладает существенными ограничениями в скорости выполнения и точности. Научная новизна проекта заключается в разработке и реализации высокоточной трехкубитной CCZ операции с использованием микроволнового возбуждения соединительного элемента. Данная операция вместе с однокубитной операцией Адамара образует универсальный набор (т.е. для выполнения произвольного алгоритма достаточно уметь выполнять операции из данного набора). Использование соединительного элемента позволяет активиривать и деактивировать трехкубитное взаимодействие, позволяя на одной схеме реализовать высокоточную трехкубитную операцию, при этом почти не ухудшая точность и скорость однокубитных операций.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Симаков И.А., Мажорин Г.С., Москаленко И.Н., Сеидов С.С., Беседин И.С. High-fidelity transmon-coupler-activated CCZ gate on fluxonium qubits Physical Review Applied, Vol. 21, Iss. 4, 044035 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.21.044035

2. Мажорин Г.С., Кугут А.А., Полянский А.М., Москаленко И.Н., Симаков И.А. Impact of qubit anharmonicity on near-resonant Rabi oscillations Applied Physics Letters (год публикации - 2025)

3. Сеидов С.С., Пугач Н.Г., Сидоренко А.С. Energy spectrum and quantum phase transition of the coupled single spin and an infinitely coordinated Ising chain Beilstein Journal of Nanotechnology (год публикации - 2025)

4. Сеидов С.С., Пугач Н.Г., Сидоренко А.С. Energy spectrum and quantum phase transition of the coupled single spin and an infinitely coordinated Ising chain Beilstein Journal of Nanotechnology, Beilstein J. Nanotechnol. 2025, 16, 1668–1676 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.3762/bjnano.16.117

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Научным коллективом теоретически изучены свойства системы кубитов, состоящей из ансамбля вычислительных кубитов, связанных с центральным связующим кубитом. Построена теоретическая модель, отображающая рассматриваемую систему на модифицированную задачу о связанных спинах, широко исследованную в научной литературе. В результате анализа найден энергетический спектр рассматриваемой системы, изучены свойства основного состояния и описан фазовый переход между двумя типами основного состояния – симметричной фазы и фазы с нарушенной симметрией. Аналитический найдены критические значения параметров задачи (констант взаимодействия, расщеплений уровней энергии кубитов, количества вычислительных кубитов), при которых происходит фазовый переход. В рамках проекта проведено теоретическое и численное исследование влияния ангармонизма на точность выполнения многокубитных квантовых операций, реализуемых с помощью микроволнового возбуждения соединительного элемента. Показано, что взаимодействие с высшими энергетическими уровнями соединителя может вызывать сдвиг частоты (эффект Штарка), что приводит к ошибкам в фазе и утечке из вычислительного подпространства. Эти эффекты особенно значимы в условиях слабого ангармонизма и близкорезонансного управления, типичных для такого типа операций. Разработан метод калибровки частоты управляющего сигнала, учитывающий многоуровневую структуру соединительного элемента. Применение этого подхода позволяет устранить возникающие ошибки и существенно повысить точность двух- и многокубитных логических операций. Дополнительно исследована применимость используемых в теории приближений при описании эксперимента. Проведённое моделирование подтвердило, что аналитическая модель с высокой точностью воспроизводит наблюдаемые эффекты и применима для типичных параметров эксперимента, особенно вблизи так называемых «сладких точек», где соединительный элемент наиболее стабилен. Полученные результаты важны для повышения точности квантовых операций в сверхпроводящих процессорах и напрямую применимы к разработке новых элементов масштабируемых квантовых вычислений.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта создают научно-технологический задел для разработки высокоточных многокубитных квантовых операций, в частности трёхкубитной логической операции CCZ, важной для построения эффективных квантовых алгоритмов и реализации квантовой коррекции ошибок. Проведённые исследования направлены на повышение точности и надёжности базовых операций квантовых процессоров, что важно для масштабируемых квантовых вычислений. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании квантовых процессоров и систем управления, а также при разработке программного обеспечения для калибровки и оптимизации квантовых многокубитных запутывающих операций. Это способствует формированию национальной компетенции в области квантовых технологий, что, в свою очередь, открывает перспективы для создания новой высокотехнологичной продукции, включая квантовые вычислительные устройства, средства квантового моделирования.