39. کیوبیت‌های ابررسانا
39.1پیوندگاه‌های جوزفسون (Josephson junctions)
دو ابررسانا جدا به‌وسیلهٔ عایقی ۱ تا ۲ نانومتری: جفت‌های کوپر از آن تونل می‌زنند و رابطهٔ جریان–فاز I = Ic·sin(φ) را می‌سازند — یک سلف با غیرخطی بودن. غیرخطی بودن تمام ماجراست: نوسان‌ساز LC معمولی ترازهای هم‌فاصله دارد، پس رانشی که |0⟩ → |1⟩ را نشانه می‌گیرد |1⟩ → |2⟩ را هم می‌راند و هیچ کیوبیتی جداشدنی نیست. عنصر جوزفسون فاصله‌ها را نابرابر می‌کند تا یک گذار بدون گذار بعدی نشانی‌پذیر شود. پیوندگاه‌ها با لیتوگرافی پرتو الکترونی و اکسیداسیون آلومینیوم الگو می‌شوند و حساس‌ترین بخش تراشه به ساخت‌اند — عیب‌های دوترازِ ۲۹.۱۰ در لایهٔ اکسیدشان زندگی می‌کنند.
39.2ترانس‌مون‌ها (transmons)
طراحی غالب: پیوندگاه جوزفسون با شانت خازنی بزرگ. شانت بزرگ انرژی را تقریباً بی‌حس به بارِ جابه‌جاشده می‌کند — نویز باری را که کیوبیت‌های بارِ قبلی را محدود می‌کرد می‌کُشد — و هم‌دوسی را از نانوثانیه (۱۹۹۹) به حدود ۱۰۰ میکروثانیه و بالاتر رساند. بها: هارمونیک‌زایی ضعیف، تنها حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ مگاهرتزِ منفی میان گذارهای مجاور، پس پالس‌ها باید با دقت شکل بگیرند وگرنه نشتی می‌کنند (۲۹.۶). گونه‌ها: ترانس‌مون فرکانس-ثابت (هم‌دوسی بهتر، گیت کندتر — انتخاب IBM) در برابر ترانس‌مون فلاکس-تنظیم‌پذیر (گیت سریع‌تر، حساسیت نویز بیشتر — Google و Rigetti). امروز وقتی کسی می‌گوید «کیوبیت ابررسانا» تقریباً همیشه یعنی ترانس‌مون؛ IBM، Google و Rigetti همه همین را می‌سازند.
39.3کنترل مایکروویو
گذار |0⟩ ↔ |1⟩ را با پالس‌های مایکروویو در ۴ تا ۶ گیگاهرتز برانید، از راه خطوط کواکسیال تا آنتن خازنی روی تراشه. نوسان‌های رابی دامنهٔ پالس را کالیبره می‌کنند؛ فاز پالس دیجیتال کنترل می‌شود، که چرخش حول محور Z را در نرم‌افزار تقریباً مجانی می‌کند (گیت‌های virtual-Z). شکل‌دهی مهم است: پالس‌های DRAG (مشتقِ گاوسی) نشتی به |2⟩ را می‌خوابانند (۲۹.۶). مدت گیت‌ها ۱۰ تا ۳۰ نانوثانیه. سیم‌کشی را بشمارید: به‌ازای هر کیوبیت ۲ تا ۳ خط کنترل به‌علاوهٔ خط بازخوانی مشترک یا اختصاصی — در یک میلیون کیوبیت ضرب کنید تا دیوار مقیاسِ ۳۸.۶ ملموس شود. همین شمارِ خط به‌ازای هر کیوبیت است که الکترونیک کنترل کرایوژنیک را به یک حوزهٔ پژوهشی تبدیل کرده است.
39.4تشدیدکننده‌های بازخوانی (readout resonators)
بازخوانی پاششی: کیوبیت به تشدیدکننده‌ای مایکروویویی جفت است که فرکانسش بسته به حالت کیوبیت ±χ جابه‌جا می‌شود؛ بستری بفرستید و فاز یا دامنهٔ خروجی، حالت را می‌گوید. سیگنال‌ها در حد تک‌فوتون‌اند، پس تقویت‌کننده‌های کوانتومی‌محدود (JPA، TWPA) پیش از آنکه الکترونیک متعارف چیزی ببیند اجباری‌اند. بازخوانی حدود ۱۰۰ نانوثانیه تا ۱ میکروثانیه طول می‌کشد با ۹۹ تا ۹۹.۹ درصد وفاداری — و در همان پنجره، افت T1 پاسخ را خراب می‌کند (۲۹.۵). تشدیدکننده‌ها بی‌قصد کیوبیت‌ها را به هم جفت هم می‌کنند؛ پس هم‌زمان ابزار اندازه‌گیری‌اند و کانال کراس‌تاک (۳۹.۸).
39.5سرمایش برودتی (cryogenics)
چرا ۱۰ تا ۲۰ میلی‌کلوین: جمعیت گرمایی حالت برانگیخته n = 1/(exp(hf/kT) − 1) باید بسیار کمتر از ۱ باشد و در ۵ گیگاهرتز این دمایی بسیار زیر ۲۴۰ میلی‌کلوین می‌خواهد. یخچال رقیق‌سازی در طبقهٔ پایه توان سرمایشی در حد میکرووات می‌دهد؛ هر خط کواکسیال با تضعیف‌کننده وارد می‌شود (تا تابش جسم سیاه بیرون بماند) و با تقویت‌کننده خارج. یخچال اندازه، هزینه و بودجهٔ سیم‌کشی ماشین را تعیین می‌کند و توان سرمایشش تعیین می‌کند چقدر الکترونیک کنترل می‌تواند داخل زندگی کند — به همین دلیل انتقال کنترل دیجیتال به طبقهٔ ۴ کلوین یا میلی‌کلوین (cryo-CMOS) میدان نبردِ مقیاس این سکوست (۳۸.۶). میان‌بُری نیست: ترانس‌مون گرم اصلاً کیوبیت نیست.
39.6کالیبراسیون
خط لولهٔ روزانه (۳۸.۷، ۲۹.۸): طیف‌بینی برای یافتن فرکانس هر کیوبیت، کالیبراسیون رابی برای دامنه‌های پالس، تنظیم DRAG، کالیبراسیون گیت دوکیوبیتی روی هر زوجِ جفت‌شده، و برازش آستانه‌گذار بازخوانی. روی دستگاه ۱۰۰+ کیوبیتی این یعنی هزاران پارامترِ درهم‌کننده زیر ازدحام فرکانسی — کیوبیت‌ها فقط ۱۰۰ تا ۵۰۰ مگاهرتز فاصله دارند، پس کالیبراسیون یک کیوبیت می‌تواند کالیبراسیون همسایه را بی‌اعتبار کند. تصمیم‌گیری اینکه کدام کالیبراسیون‌ها کی اجرا شوند و کی تکرار شوند، مسئلهٔ واقعی پژوهش عملیاتی است که رانش آن را ابدی می‌کند. این‌جاست که شرکت‌های سخت‌افزار ابررسانا بیشترین مهندس نرم‌افزارشان را استخدام می‌کنند — خط لولهٔ کنترل و بهینه‌سازی کلاسیک دور فیزیک.
39.7گیت‌های دوکیوبیتی
سه سازوکار اصلی. کراس-رزونانس (IBM، کیوبیت‌های فرکانس-ثابت): کیوبیت کنترل را در فرکانس هدف، از راه جفت‌شدگی مشترکشان برانید؛ حدود ۱۰۰ تا ۳۰۰ نانوثانیه، خطای ۱۰⁻³ تا ۱۰⁻². جفت‌کنندهٔ تنظیم‌پذیر (Google): عنصر جفت‌کنندهٔ اختصاصی با پالس فلاکس، برهم‌کنش مؤثر را روشن و خاموش می‌کند؛ گیت‌های سریع‌تر (حدود ۳۰ تا ۶۰ نانوثانیه) و بهترین خطاهای دوکیوبیتیِ گزارش‌شدهٔ سکو. کیوبیت‌های فلاکس-تنظیم‌پذیر (Rigetti) با پالس‌دادن خودِ کیوبیت‌ها گیت می‌زنند. همه مجاور-نزدیک روی یک شبکه‌اند — heavy-hex برای IBM — پس هر برهم‌کنش دوربرد هزینهٔ گیت‌های SWAP دارد و سربار کامپایلر (بخش دوازدهم) بخشی از بهای واقعی مالکیت سکوست. سکوها را در سطح مدارِ کامپایل‌شده مقایسه کنید، هرگز در سطح گیتِ برهنه.
39.8کراس‌تاک (crosstalk)
بیماری مهندسیِ مشخصهٔ این سکو. کیوبیت‌ها خطوط کنترل، زنجیره‌های بازخوانی و جفت‌کننده‌ها را شریک‌اند، پس پالس روی کیوبیت i کیوبیت j را در سطح ۱۰⁻³ می‌راند؛ پالس‌های فلاکس از مدار مشترک نشت می‌کنند؛ و گیت‌های هم‌زمان نسبت به کالیبراسیون مجزا به‌طور محسوس افت می‌کنند. آسیب ساختاری از عدد هر گیت بیشتر است: کراس‌تاک خطاهای همبسته میان همسایه‌های فیزیکی می‌سازد و استقلال‌فرض‌هایی را زیر فشار می‌گذارد که آستانه‌های تصحیح خطا زیرشان اثبات شده‌اند (۲۹.۷، بخش دهم). مقابله‌ها مهندسی کلاسیک‌اند: تخصیص دقیق فرکانس، شکل‌دهی پالس، جداسازی دینامیکی روی کیوبیت‌های بیکار، و بنچمارک تصادفیِ هم‌زمان برای کمیت‌کردن آسیب. هنگام مقایسهٔ فروشندگان، آن‌ها را ترجیح دهید که اندازه‌گیری کراس‌تاک را منتشر می‌کنند — آن‌ها که منتشر نمی‌کنند، اندازه نمی‌گیرند.