Οι κβαντικοί υπολογιστές, τα υπολογιστικά συστήματα που επεξεργάζονται πληροφορίες χρησιμοποιώντας κβαντομηχανικά εφέ, θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τους κλασικούς υπολογιστές σε ορισμένες υπολογιστικές εργασίες. Αυτοί οι υπολογιστές βασίζονται σε qubits, τις βασικές μονάδες κβαντικών πληροφοριών, οι οποίες μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις (0, 1 ή και τα δύο ταυτόχρονα), λόγω των κβαντικών επιδράσεων γνωστών ως υπέρθεση και εμπλοκή.
Πολλοί από τους κβαντικούς υπολογιστές που αναπτύχθηκαν τα τελευταία χρόνια βασίζονται σε συμβατικούς υπεραγωγούς, υλικά που παρουσιάζουν ηλεκτρική αντίσταση μηδέν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Για να λειτουργούν αξιόπιστα και να επιδεικνύουν υπεραγωγιμότητα, τα κυκλώματα που βασίζονται σε αυτά τα υλικά πρέπει να ψύχονται σε θερμοκρασίες millikelvin.
Στους κβαντικούς υπολογιστές, κάθε qubit απαιτεί συνήθως τη δική του γραμμή ελέγχου. Αυτό σημαίνει ότι οι μηχανικοί πρέπει να εισάγουν πολλά καλώδια που μεταφέρουν ηλεκτρικούς παλμούς (δηλαδή, γραμμές σήματος) και ο αριθμός των απαραίτητων καλωδίων αυξάνεται με τον αριθμό των qubits. Καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές μεγαλώνουν, αυτό μπορεί να είναι προβληματικό, καθώς οι επεξεργαστές γίνονται πιο δύσκολο να κατασκευαστούν και να λειτουργήσουν αξιόπιστα.
Ερευνητές της Seeqc Inc., μιας εταιρείας που αναπτύσσει ψηφιακά συστήματα κβαντικών υπολογιστών, παρουσίασαν πρόσφατα έναν νέο κβαντικό επεξεργαστή που θα μπορούσε να λειτουργεί αξιόπιστα και σε θερμοκρασίες millikelvin, παρά το γεγονός ότι απαιτεί σημαντικά λιγότερη καλωδίωση. Αυτός ο επεξεργαστής, που παρουσιάστηκε σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στοNature Electronics, έχει μοναδικό σχεδιασμό στον οποίο τα qubits και τα ηλεκτρονικά ελέγχου τους είναι ενσωματωμένα σε δύο ξεχωριστά αλλά συνδεδεμένα υπεραγώγιμα τσιπ.
«Η ανάπτυξη υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογιστικών πλατφορμών αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις κλιμάκωσης επειδή απαιτούνται μεμονωμένες γραμμές σήματος για τον έλεγχο κάθε qubit», έγραψαν οι Caleb Jorda, Jacob Bernhardt και οι συνεργάτες τους στην εργασία τους. "Αυτή η επιβάρυνση της καλωδίωσης είναι αποτέλεσμα του χαμηλού επιπέδου ολοκλήρωσης μεταξύ των ηλεκτρονικών ελέγχου σε θερμοκρασία δωματίου και των qubits που λειτουργούν σε θερμοκρασίες millikelvin. Μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική είναι η χρήση κρυογονικών υπεραγώγιμων ηλεκτρονικών ψηφιακού ελέγχου που συνυπάρχουν με qubits."
Ξεπερνώντας την πρόκληση της καλωδίωσης
Για να ξεπεραστούν τα προβλήματα καλωδίωσης που παρεμπόδιζαν μέχρι στιγμής την ανάπτυξη κβαντικών επεξεργαστών μεγαλύτερης-κλίμακας, αυτή η ερευνητική ομάδα σχεδίασε μια νέα ενότητα πολλαπλών-τσιπ. Αυτή η ενότητα αποτελείται από δύο ξεχωριστά τσιπ, το ένα φιλοξενεί qubits και το άλλο ηλεκτρονικά ελέγχου.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ειδικά ηλεκτρονικά κβαντικού ελέγχου απλής-ροής, υπεραγώγιμα ψηφιακά κυκλώματα που παράγουν πολύ σύντομους και ακριβείς ηλεκτρικούς παλμούς μέσω μικροσκοπικών κβαντισμένων μαγνητικών σημάτων. Το τσιπ που φιλοξενεί αυτά τα κυκλώματα συνδέθηκε με το τσιπ που περιέχει υπεραγώγιμα κυκλώματα χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση γνωστή ως συγκόλληση τσιπ-αναστροφής.
Αυτή η προσέγγιση συνεπάγεται την τοποθέτηση των τσιπς πρόσωπο με πρόσωπο και στη συνέχεια τη σύνδεσή τους μέσω μικροσκοπικών μεταλλικών εξογκωμάτων. Ολόκληρη η μονάδα πολλαπλών-τσιπ που αναπτύχθηκε από τους Jorda, Bernhardt και τους συναδέλφους τους λειτουργεί μέσα σε μια κρυογονική εγκατάσταση που τη διατηρεί σε θερμοκρασίες millikelvin.
"Παρουσιάζουμε μια ενεργή μονάδα κβαντικού επεξεργαστή στην οποία τα qubits και τα ηλεκτρονικά κβαντικού ελέγχου μονής-ροής είναι ενσωματωμένα σε μια ενιαία μονάδα πολλαπλών-τσιπ μέσω αναστροφής-συγκόλλησης τσιπ", έγραψαν οι συγγραφείς. "Το σύστημά μας χρησιμοποιεί ψηφιακή αποπολυπλέξη για τη διανομή παλμών ελέγχου σε πολλά qubit, σπάζοντας έτσι τη γραμμική κλιμάκωση των γραμμών ελέγχου στον αριθμό των qubit. Με αυτήν την προσέγγιση, επιδεικνύουμε πιστότητα ενός-qubit άνω του 99% και έως και 99,9%."
Μια νέα προσέγγιση στους πολυτελείς κβαντικούς επεξεργαστές
Ο κβαντικός επεξεργαστής που σχεδιάστηκε από αυτήν την ερευνητική ομάδα έχει αξιοσημείωτα πλεονεκτήματα σε σχέση με πολλούς άλλους υπεραγώγιμους κβαντικούς επεξεργαστές που εισήχθησαν στο παρελθόν. Στις αρχικές δοκιμές, διαπιστώθηκε ότι αποδίδει εξαιρετικά καλά, διατηρώντας εξαιρετικό έλεγχο στα qubits χωρίς την ανάγκη εκτεταμένης καλωδίωσης.
Στο μέλλον, ο νέος σχεδιασμός θα μπορούσε να κλιμακωθεί για να δημιουργήσει μεγαλύτερους κβαντικούς επεξεργαστές που περιέχουν πολλά πρόσθετα qubits και έτσι μπορούν να αντιμετωπίσουν δυνητικά πιο περίπλοκα υπολογιστικά προβλήματα. Επιπλέον, θα μπορούσε να εμπνεύσει την εισαγωγή άλλων παρόμοιων κβαντικών μονάδων πολλαπλών-τσιπ που λειτουργούν αξιόπιστα και είναι πιο εύκολο να αναβαθμιστούν.
