Komputery kwantowe, czyli systemy komputerowe przetwarzające informacje przy użyciu efektów mechaniki kwantowej, mogą w niektórych zadaniach obliczeniowych przewyższać komputery klasyczne. Komputery te opierają się na kubitach, podstawowych jednostkach informacji kwantowej, które mogą istnieć w wielu stanach (0, 1 lub oba jednocześnie) ze względu na efekty kwantowe znane jako superpozycja i splątanie.
Wiele komputerów kwantowych opracowanych w ostatnich latach opiera się na konwencjonalnych nadprzewodnikach, czyli materiałach, które w ekstremalnie niskich temperaturach wykazują zerową rezystancję elektryczną. Aby działać niezawodnie i wykazywać nadprzewodnictwo, obwody oparte na tych materiałach muszą zostać schłodzone do temperatury milikelwinów.
W komputerach kwantowych każdy kubit zwykle wymaga własnej linii sterującej. Oznacza to, że inżynierowie muszą wprowadzić kilka przewodów przenoszących impulsy elektryczne (tj. linie sygnałowe), a liczba niezbędnych przewodów rośnie wraz z liczbą kubitów. W miarę powiększania się komputerów kwantowych może to być problematyczne, ponieważ procesory stają się coraz trudniejsze w budowie i niezawodnie działają.
Naukowcy z Seeqc Inc., firmy opracowującej cyfrowe systemy obliczeń kwantowych, wprowadzili niedawno nowy procesor kwantowy, który może działać niezawodnie i w temperaturach rzędu milikelwinów, mimo że wymaga znacznie mniej okablowania. Procesor ten, przedstawiony w artykule opublikowanym wElektronika natury, ma unikalną konstrukcję, w której kubity i ich elektronika sterująca są zintegrowane na dwóch oddzielnych, ale połączonych chipach nadprzewodzących.
„Rozwój nadprzewodzących platform obliczeń kwantowych stoi przed poważnymi wyzwaniami związanymi ze skalowaniem, ponieważ do sterowania każdym kubitem wymagane są osobne linie sygnałowe” – napisali w swojej pracy Caleb Jorda, Jacob Bernhardt i ich współpracownicy. „Ten narzut na okablowanie wynika z niskiego poziomu integracji elektroniki sterującej w temperaturze pokojowej z kubitami działającymi w temperaturach milikelwinów. Obiecującą alternatywą jest zastosowanie kriogenicznej, nadprzewodzącej cyfrowej elektroniki sterującej, która współistnieje z kubitami”.
Pokonanie wyzwania związanego z okablowaniem
Aby przezwyciężyć problemy z okablowaniem, które do tej pory utrudniały rozwój procesorów kwantowych-na większą skalę, ten zespół badawczy zaprojektował nowy moduł wieloukładowy-. Moduł ten składa się z dwóch oddzielnych chipów, jednego obsługującego kubity i drugiego elektroniki sterującej.
Naukowcy wykorzystali w szczególności elektronikę do kontroli kwantowej pojedynczego{{0}strumienia, czyli nadprzewodzące obwody cyfrowe, które generują bardzo krótkie i precyzyjne impulsy elektryczne za pomocą drobnych skwantowanych sygnałów magnetycznych. Układ scalony, w którym znajdują się te obwody, połączono z układem zawierającym obwody nadprzewodzące, stosując metodę znaną jako łączenie-flip-chipów.
Podejście to polega na umieszczeniu chipów naprzeciwko siebie--, a następnie połączeniu ich za pomocą mikroskopijnych metalowych wybrzuszeń. Cały moduł wieloukładowy-opracowany przez Jordę, Bernhardta i ich współpracowników działa w układzie kriogenicznym, który utrzymuje go w temperaturze milikelwinów.
„Prezentujemy aktywny procesor kwantowy, w którym kubity i elektronika kontroli kwantowej o pojedynczym-strumieniu są zintegrowane w jednym module z wieloma-chipami poprzez łączenie-chipów typu flip-chip” – napisali autorzy. „Nasz system wykorzystuje demultipleksację cyfrową do rozdzielania impulsów sterujących na kilka kubitów, przerywając w ten sposób liniowe skalowanie linii sterujących do liczby kubitów. Dzięki takiemu podejściu wykazujemy wierność pojedynczego-kubitu powyżej 99% do 99,9%.
Nowe podejście do ekskluzywnych procesorów kwantowych
Procesor kwantowy zaprojektowany przez ten zespół badawczy ma znaczną przewagę nad wieloma innymi nadprzewodzącymi procesorami kwantowymi wprowadzonymi w przeszłości. Początkowe testy wykazały, że działa on wyjątkowo dobrze, zachowując doskonałą kontrolę nad kubitami bez konieczności stosowania rozbudowanego okablowania.
W przyszłości nowy projekt będzie można skalować w celu stworzenia większych procesorów kwantowych, które będą zawierać wiele dodatkowych kubitów i dzięki temu będą mogły potencjalnie stawić czoła bardziej złożonym problemom obliczeniowym. Ponadto mogłoby to zainspirować do wprowadzenia innych podobnych wieloukładowych-modułów kwantowych, które działają niezawodnie i są łatwiejsze w skalowaniu.
