Потоковый кубит в цепях быстрой одноквантовой логики: управление и считывание

Abstract

Представлены результаты аналитического исследования и численного моделирования динамики сверхпроводящего потокового трехконтактного (3JJ) кубита, связанного магнитным полем с цепью быстрой одноквантовой (RSFQ) логики, демонстрирующие принципиальную возможность реализации простейших логических операций на пикосекундных временах, а также быстрых неразрушающих измерений. Показано, что при решении оптимизационных задач динамику кубита удобно интерпретировать как прецессию вектора магнитного момента вокруг направления магнитного поля. При этом роль компонент магнитного поля играют комбинации матричных элементов гамильтониана, а роль магнитного момента — вектор Блоха. Обсуждаются особенности модели 3JJ кубита при анализе воздействия на кубит управляющего короткого импульса и аналогия между уравнениями Блоха и Ландау–Лифшица–Гильберта. Анализ решений блоховских уравнений позволил выработать рекомендации по использованию считывающих RSFQ цепей для реализации оптимального интерфейса между классической и квантовой частями вычислительной системы, а также обосновать использование одноквантовой логики для контроля сверхпроводящих квантовых схем на чипе.

Представлено результати аналітичного дослідження та чисельного моделювання динаміки надпровідного потокового трьохконтактного (3JJ) кубіта, пов’язаного магнітним полем з ланцюгом швидкої одноквантовой логіки (RSFQ), що демонструють принципову можливість реалізації найпростіших логічних операцій на пікосекундних часах, а також швидких неруйнуючих вимірювань. Показано, що при розв’язуванні оптимізаційних задач динаміку кубіта зручно інтерпретувати як прецесію вектора магнітного моменту навколо напрямку магнітного поля, при цьому роль компонент магнітного поля грають комбінації матричних елементів гамільтоніана, а роль магнітного моменту — вектор Блоха. Обговорюються особливості моделі 3JJ кубіта при аналізі дії на кубіт керуючого короткого імпульсу та аналогія між рівняннями Блоха і Ландау–Ліфшиця–Гільберта. Аналіз розв’язків блохівських рівнянь дозволив виробити рекомендації щодо використання RSFQ ланцюгів, які зчитують, для реалізації оптимального інтерфейсу між класичною та квантовою частинами обчислювальної системи, а також обґрунтувати використання одноквантовой логіки для контролю надпровідних квантових схем на чіпі.

We present the results of an analytical study and numerical simulation of the dynamics of a superconducting three-Josephson-junction (3JJ) flux qubit magnetically coupled with rapid single-flux quantum (RSFQ) logic circuit, which demonstrate the fundamental possibility of implementing the simplest logic operations at picosecond times, as well as rapid non-destructive readout. It is shown that when solving optimization problems, the qubit dynamics can be conveniently interpreted as a precession of the magnetic moment vector around the direction of the magnetic field. In this case, the role of magnetic field components is played by combinations of the Hamiltonian matrix elements, and the role of the magnetic moment is played by the Bloch vector. Features of the 3JJ qubit model are discussed during the analysis of how the qubit is affected by exposure to a short control pulse, as are the similarities between the Bloch and Landau-Lifshitz-Gilbert equations. An analysis of solutions to the Bloch equations made it possible to develop recommendations for the use of readout RSFQ circuits in implementing an optimal interface between the classical and quantum parts of the computer system, as well as to justify the use of single-quantum logic in order to control superconducting quantum circuits on a chip.