Квантові комп’ютери, обчислювальні системи, які обробляють інформацію за допомогою квантово-механічних ефектів, можуть перевершити класичні комп’ютери в деяких обчислювальних завданнях. Ці комп’ютери покладаються на кубіти, основні одиниці квантової інформації, які можуть існувати в кількох станах (0, 1 або обидва одночасно), завдяки квантовим ефектам, відомим як суперпозиція та заплутаність.
Багато квантових комп’ютерів, розроблених останніми роками, базуються на звичайних надпровідниках, матеріалах, які виявляють нульовий електричний опір при надзвичайно низьких температурах. Щоб надійно працювати та демонструвати надпровідність, схеми на основі цих матеріалів потрібно охолоджувати до температури мілікельвінів.
У квантових комп’ютерах для кожного кубіта зазвичай потрібна власна лінія керування. Це означає, що інженерам потрібно ввести кілька проводів, які передають електричні імпульси (тобто сигнальні лінії), і кількість необхідних проводів збільшується разом із кількістю кубітів. Оскільки квантові комп’ютери стають все більшими, це може бути проблематичним, оскільки процесори стають складнішими для створення та надійної роботи.
Дослідники Seeqc Inc., компанії, яка розробляє цифрові квантові обчислювальні системи, нещодавно представили новий квантовий процесор, який міг би надійно працювати при температурах мілікельвінів, незважаючи на те, що потрібно було значно менше проводів. Цей процесор, представлений у статті, опублікованій уЕлектроніка природи, має унікальний дизайн, у якому кубіти та їх керуюча електроніка інтегровані на двох окремих, але з’єднаних надпровідних мікросхемах.
«Розробка надпровідних квантових обчислювальних платформ стикається зі значними проблемами масштабування, оскільки для управління кожним кубітом потрібні окремі сигнальні лінії», — написали Калеб Джорда, Джейкоб Бернхардт та їхні колеги у своїй статті. «Ця накладна проводка є результатом низького рівня інтеграції між керуючою електронікою при кімнатній температурі та кубітами, що працюють при температурах мілікельвінів. Багатообіцяючою альтернативою є використання кріогенної надпровідної цифрової електроніки керування, яка співіснує з кубітами».
Подолання проблеми з проводкою
Щоб подолати проблеми з підключенням, які досі перешкоджали розробці більших-квантових процесорів, ця дослідницька група розробила новий багато-чіповий модуль. Цей модуль складається з двох окремих чіпів, один з яких містить кубіти, а інший — керуюча електроніка.
Дослідники спеціально використовували електроніку квантового керування з одним-потоком, надпровідні цифрові схеми, які генерують дуже короткі та точні електричні імпульси за допомогою крихітних квантованих магнітних сигналів. Мікросхему, на якій розміщено ці схеми, було з’єднано з мікросхемою, яка містить надпровідні схеми, за допомогою підходу, відомого як фліп-чіп-з’єднання.
Цей підхід полягає в тому, що чіпи розміщуються обличчям-до-лицьового боку, а потім з’єднуються між собою за допомогою мікроскопічних металевих виступів. Увесь багаточіповий модуль, розроблений Джордою, Бернхардтом та їхніми колегами, працює всередині кріогенної установки, яка підтримує температуру мілікельвінів.
«Ми представляємо блок активного квантового процесора, у якому кубіти й одно-потокова квантова керуюча електроніка об’єднані в один багато{1}}модуль чіпа за допомогою фліп-чіп-зв’язку», — написали автори. «Наша система використовує цифрове демультиплексування для розподілу керуючих імпульсів на кілька кубітів, таким чином порушуючи лінійне масштабування ліній керування до кількості кубітів. Завдяки цьому підходу ми демонструємо точність одного-кубіта від 99% до 99,9%».
Новий підхід до висококласних квантових процесорів
Квантовий процесор, розроблений цією дослідницькою групою, має помітні переваги перед багатьма іншими надпровідними квантовими процесорами, представленими в минулому. Під час початкових тестів було виявлено, що він працює надзвичайно добре, зберігаючи чудовий контроль над кубітами без потреби у великій проводці.
У майбутньому новий дизайн можна буде розширити для створення більших квантових процесорів, які містять багато додаткових кубітів і, таким чином, можуть вирішувати більш складні обчислювальні проблеми. Крім того, це може надихнути на запровадження інших подібних багато-чіпових квантових модулів, які працюють надійно та легше розширювати.
