Оптоволокно довело СВЧ-управление до кубитов с 99.676% pure CZ

Самый дорогой объём в квантовом компьютере часто выглядит как пустота внутри dilution refrigerator. В этой пустоте приходится провести к процессору множество линий: микроволновые XY-импульсы вращают состояния transmon-кубитов, быстрые Z-сигналы меняют их частоты и включают связь между соседями. Коаксиальный кабель хорошо доставляет форму импульса, но одновременно строит тепловой мост между комнатой и криогенными ступенями.

Группа Yu-Huai Li передала этот участок линии светом. Комнатный AWG или IQ-источник напрямую модулирует интенсивность DFB-лазера на 1490 nm. Волокно заводит свет в холодильник, где InGaAs PIN-фотодиод с обратным смещением 1 V на ступени 4 K восстанавливает электрический сигнал фототоком. Дальше до кристалла остаётся короткая электрическая трасса из сверхпроводящей разводки. Свет не приходит к самому кубиту: он переносит управляющую форму через наиболее неудобную, длинную часть криостата и превращается в RF уже на 4 K.

Это проверили на двух частотно-перестраиваемых transmon-кубитах с tunable coupler. Для XY- и Z-каналов использовали отдельные оптические тракты; сигнал управления связью сформировал CZ длительностью 38 ns. Single-qubit Pauli fidelity составила 99.915 ± 0.005% для Q1 и 99.854 ± 0.014% для Q2. Для CZ авторы получили 99.676 ± 0.041% pure fidelity. Слово pure здесь существенно: dressed fidelity того же гейта равна 99.445 ± 0.041%, поскольку эта метрика включает дополнительные эффекты декогеренции во время операции.

Ключевой выигрыш появляется до ступени 4 K. Авторы оценивают пассивный тепловой поток типичной коаксиальной линии примерно в 1 mW, для волокна — в 5.6 μW. Разница около 179 раз превращает кабельный ввод в инженерную проблему другого масштаба. Однако фотодиод расходует мощность сам: его нельзя безнаказанно перенести на mixing chamber возле 20 mK. В модели для Bluefors XLD400 один оптический XY-канал рассеивает на 4.2 K около 0.058 mW, комбинация XY и быстрого Z — около 0.752 mW. Из 1.5 W доступного холода следуют расчётные 25 816 XY-каналов либо 1 996 каналов XY+Z при принятых авторами мощностях и duty cycle. На mixing chamber такая схема оставляет лишь около 3.3 XY-канала или 0.24 комбинированного канала.

Поэтому фотодиод на 4 K — центральный компромисс всей архитектуры. Волокно резко уменьшает паразитный приток тепла сверху, а локальная фотоконверсия создаёт управляемый источник нагрева на ступени, где холодильник ещё располагает заметным запасом мощности. После этого RF всё равно должен пройти вниз по электрической линии, только уже короткой и тщательно теплово развязанной.

Даже выбор длины волны оказался криогенной задачей. При охлаждении запрещённая зона InGaAs растёт, и длинноволновая граница чувствительности фотодиода смещается. Авторы оценивают cutoff около 1511 nm при 4 K; привычный телеком-диапазон 1550 nm оказывается слишком близко к краю. Длина 1490 nm сохраняет удобство оптической инфраструктуры и уверенно даёт фототок в холодном детекторе.

Работа содержит измерения шума Z-линии через Ramsey tomography, CPMG и приборные методы, а не только демонстрацию Rabi-осцилляций. Всё же это препринт arXiv v1 без независимой репликации, а тысячи каналов пока существуют как тепловой расчёт одной модели холодильника. Их реальная плотность будет зависеть от мощности гейтов, КПД фотоконверсии, затуханий, bias фотодиодов, перекрёстных помех и архитектуры процессора. Но сам результат уже меняет образ криостата: часть его проводов может стать светом.