Kvantové počítače, počítačové systémy, ktoré spracúvajú informácie pomocou kvantových mechanických efektov, by mohli v niektorých výpočtových úlohách prekonať klasické počítače. Tieto počítače sa spoliehajú na qubity, základné jednotky kvantovej informácie, ktoré môžu existovať vo viacerých stavoch (0, 1 alebo obidva súčasne), vďaka kvantovým efektom známym ako superpozícia a zapletenie.
Mnohé z kvantových počítačov vyvinutých v posledných rokoch sú založené na konvenčných supravodičoch, materiáloch, ktoré pri extrémne nízkych teplotách vykazujú nulový elektrický odpor. Aby fungovali spoľahlivo a vykazovali supravodivosť, obvody založené na týchto materiáloch musia byť ochladené na milikelvinové teploty.
V kvantových počítačoch si každý qubit zvyčajne vyžaduje vlastnú riadiacu linku. To znamená, že inžinieri musia zaviesť niekoľko vodičov, ktoré prenášajú elektrické impulzy (tj signálové vedenia), a počet potrebných vodičov sa zvyšuje s počtom qubitov. Ako sa kvantové počítače zväčšujú, môže to byť problematické, pretože je ťažšie zostaviť a spoľahlivo fungovať procesory.
Výskumníci zo spoločnosti Seeqc Inc., ktorá vyvíja digitálne kvantové výpočtové systémy, nedávno predstavili nový kvantový procesor, ktorý by mohol fungovať spoľahlivo a pri milikelvinových teplotách, napriek tomu, že vyžaduje podstatne menej káblov. Tento procesor, predstavený v článku publikovanom v rPrírodná elektronika, má unikátny dizajn, v ktorom sú qubity a ich riadiaca elektronika integrované na dvoch samostatných, ale spojených supravodivých čipoch.
„Vývoj supravodivých kvantových výpočtových platforiem čelí značným výzvam v oblasti škálovania, pretože na riadenie každého qubitu sú potrebné samostatné signálne linky,“ napísali Caleb Jorda, Jacob Bernhardt a ich kolegovia vo svojom príspevku. "Táto réžia kabeláže je výsledkom nízkej úrovne integrácie medzi riadiacou elektronikou pri izbovej teplote a qubitmi pracujúcimi pri milikelvinových teplotách. Sľubnou alternatívou je použitie kryogénnej supravodivej digitálnej riadiacej elektroniky, ktorá koexistuje s qubitmi."
Prekonanie výzvy zapojenia
Na prekonanie problémov s kabelážou, ktoré doteraz bránili vývoju väčších-kvantových procesorov, tento výskumný tím navrhol nový multi{1}}čipový modul. Tento modul pozostáva z dvoch samostatných čipov, z ktorých jeden hosťuje qubity a druhý riadi elektroniku.
Výskumníci konkrétne použili elektroniku kvantového riadenia s jedným tokom, supravodivé digitálne obvody, ktoré generujú veľmi krátke a presné elektrické impulzy prostredníctvom malých kvantovaných magnetických signálov. Čip, na ktorom sú umiestnené tieto obvody, bol pripojený k čipu, ktorý obsahuje supravodivé obvody, pomocou prístupu známeho ako flip{2}}chip bonding.
Tento prístup zahŕňa umiestňovanie čipov-čelom k{1}}čelom a ich následné prepojenie pomocou mikroskopických kovových hrbolčekov. Celý multi-čipový modul vyvinutý Jordom, Bernhardtom a ich kolegami funguje vo vnútri kryogénneho usporiadania, ktoré ho udržuje na milikelvinových teplotách.
„Predstavujeme aktívnu kvantovú procesorovú jednotku, v ktorej sú qubity a kvantová riadiaca elektronika s jedným tokom integrované do jedného viac-čipového modulu prostredníctvom flip{2}}prepájania čipov,“ napísali autori. "Náš systém využíva digitálne demultiplexovanie na distribúciu riadiacich impulzov na niekoľko qubitov, čím sa prelomí lineárne škálovanie riadiacich čiar na počet qubitov. S týmto prístupom demonštrujeme presnosť jednotlivých-qubitov nad 99 % až 99,9 %."
Nový prístup k upscale kvantovým procesorom
Kvantový procesor navrhnutý týmto výskumným tímom má pozoruhodné výhody oproti mnohým iným supravodivým kvantovým procesorom predstaveným v minulosti. V počiatočných testoch sa zistilo, že funguje pozoruhodne dobre a udržuje vynikajúcu kontrolu nad qubitmi bez potreby rozsiahlej kabeláže.
V budúcnosti by sa nový dizajn mohol zväčšiť tak, aby vytváral väčšie kvantové procesory, ktoré obsahujú mnoho ďalších qubitov a môžu tak potenciálne riešiť zložitejšie výpočtové problémy. Okrem toho by to mohlo byť inšpiráciou pre predstavenie ďalších podobných viacčipových kvantových modulov, ktoré fungujú spoľahlivo a ľahšie sa zväčšujú.
