A kvantumszámítógépek, az információkat kvantummechanikai hatások segítségével feldolgozó számítási rendszerek bizonyos számítási feladatokban felülmúlhatják a klasszikus számítógépeket. Ezek a számítógépek a qubitekre, a kvantuminformáció alapegységeire támaszkodnak, amelyek több állapotban is létezhetnek (0, 1 vagy mindkettő egyszerre), a szuperpozíciónak és összefonódásnak nevezett kvantumhatások miatt.
Az elmúlt években kifejlesztett kvantumszámítógépek többsége hagyományos szupravezetőkre épül, olyan anyagokra, amelyek rendkívül alacsony hőmérsékleten nulla elektromos ellenállást mutatnak. A megbízható működés és a szupravezetés érdekében az ilyen anyagokon alapuló áramköröket millikelvin hőmérsékletre kell hűteni.
A kvantumszámítógépekben minden qubit általában saját vezérlővonalat igényel. Ez azt jelenti, hogy a mérnököknek több olyan vezetéket kell bevezetniük, amelyek elektromos impulzusokat hordoznak (azaz jelvezetékeket), és a szükséges vezetékek száma a qubitek számával nő. A kvantumszámítógépek növekedésével ez problémás lehet, mivel a processzorok egyre nehezebbé válnak felépíteni és megbízhatóan működni.
A digitális kvantumszámítástechnikai rendszereket fejlesztő Seeqc Inc. kutatói a közelmúltban bemutattak egy új kvantumprocesszort, amely megbízhatóan és millikelvin hőmérsékleten tud működni, annak ellenére, hogy lényegesen kevesebb vezetéket igényel. Ezt a processzort egy ben megjelent cikkben mutatták beTermészet elektronika, egyedi kialakítású, amelyben a qubitek és azok vezérlőelektronikája két különálló, de összekapcsolt szupravezető chipre van integrálva.
"A szupravezető kvantumszámítási platformok fejlesztése jelentős skálázási kihívásokkal néz szembe, mivel minden qubit vezérléséhez egyedi jelvonalakra van szükség" - írták Caleb Jorda, Jacob Bernhardt és kollégáik tanulmányukban. "Ez a felső vezetékezés a szobahőmérsékleten működő vezérlőelektronika és a millikelvin hőmérsékleten működő qubitek közötti alacsony szintű integráció eredménye. Ígéretes alternatíva a kriogén szupravezető digitális vezérlőelektronika alkalmazása, amely együtt létezik a qubitekkel."
A kábelezési kihívás leküzdése
A nagyobb{0}}méretű kvantumprocesszorok fejlesztését eddig hátráltató vezetékezési problémák megoldása érdekében ez a kutatócsoport egy új, több-chipes modult tervezett. Ez a modul két külön chipből áll, az egyik qubiteket fogad, a másik pedig vezérlő elektronikát.
A kutatók kifejezetten egy{0}}fluxus kvantumvezérlő elektronikát használtak, szupravezető digitális áramköröket, amelyek nagyon rövid és pontos elektromos impulzusokat generálnak apró kvantált mágneses jeleken keresztül. Az ezeket az áramköröket tároló chipet a flip-chip kötésként ismert módszerrel a szupravezető áramköröket tartalmazó chiphez kötötték.
Ez a megközelítés azt jelenti, hogy a forgácsokat arccal-ar-elhelyezik, majd mikroszkopikus fémdudorokkal összekapcsolják. A Jorda, Bernhardt és kollégáik által kifejlesztett teljes több-chip modul egy kriogén rendszerben működik, amely millikelvin hőmérsékleten tartja azt.
„Egy olyan aktív kvantumprocesszor-egységet mutatunk be, amelyben a qubitek és az egyetlen{0}}fluxus kvantumvezérlő elektronika egyetlen több-chip modulba van integrálva flip-chip kötés révén” – írták a szerzők. "Rendszerünk digitális demultiplexelést használ a vezérlőimpulzusok több qubitre történő szétosztására, így a vezérlővonalak lineáris skálázását a qubitek számára bontja. Ezzel a megközelítéssel 99% feletti és 99,9% feletti egyetlen{5}qubit pontosságot mutatunk be."
Új megközelítés az előkelő kvantumprocesszorokhoz
A kutatócsoport által tervezett kvantumprocesszor jelentős előnyökkel rendelkezik a múltban bemutatott sok más szupravezető kvantumprocesszorhoz képest. A kezdeti tesztek során azt találták, hogy figyelemreméltóan jól teljesít, kiváló vezérlést biztosít a qubitek felett anélkül, hogy kiterjedt vezetékezésre lenne szükség.
A jövőben az új konstrukció méretezhető nagyobb kvantumprocesszorok létrehozására, amelyek sok további qubitet tartalmaznak, és így potenciálisan összetettebb számítási problémákat is megoldhatnak. Ezenkívül más hasonló több{1}}chipes kvantummodulok bevezetését is ösztönözheti, amelyek megbízhatóan működnek és könnyebben bővíthetők.
