Kvanttitietokoneet, laskentajärjestelmät, jotka käsittelevät tietoa kvanttimekaanisilla tehosteilla, voivat ylittää klassiset tietokoneet joissakin laskentatehtävissä. Nämä tietokoneet luottavat kubiteihin, kvanttitiedon perusyksiköihin, jotka voivat esiintyä useissa tiloissa (0, 1 tai molemmissa samanaikaisesti), johtuen kvanttivaikutuksista, joita kutsutaan superpositioksi ja takertumiseksi.
Monet viime vuosina kehitetyistä kvanttitietokoneista perustuvat tavanomaisiin suprajohtimiin, materiaaleihin, joiden sähkövastus on nolla erittäin matalissa lämpötiloissa. Näihin materiaaleihin perustuvat piirit on jäähdytettävä millikelvinin lämpötiloihin, jotta ne toimisivat luotettavasti ja osoittaisivat suprajohtavuutta.
Kvanttitietokoneissa jokainen kubitti vaatii tyypillisesti oman ohjauslinjansa. Tämä tarkoittaa, että insinöörien on otettava käyttöön useita sähköpulsseja kuljettavia johtoja (eli signaalilinjoja), ja tarvittavien johtojen määrä kasvaa kubittien määrän myötä. Kvanttitietokoneiden kasvaessa tämä voi olla ongelmallista, koska prosessorien rakentaminen ja luotettava toiminta muuttuu vaikeammaksi.
Digitaalisia kvanttilaskentajärjestelmiä kehittävän Seeqc Inc:n tutkijat esittelivät äskettäin uuden kvanttiprosessorin, joka voisi toimia luotettavasti ja millikelvinin lämpötiloissa, vaikka se vaatii huomattavasti vähemmän johdotusta. Tämä prosessori, joka esiteltiin vuonna julkaistussa asiakirjassaLuontoelektroniikka, on ainutlaatuinen muotoilu, jossa kubitit ja niiden ohjauselektroniikka on integroitu kahteen erilliseen mutta yhdistettyyn suprajohtavaan siruun.
"Suprajohtavien kvanttilaskenta-alustojen kehittäminen kohtaa huomattavia skaalaushaasteita, koska jokaisen kubitin ohjaamiseen tarvitaan yksittäisiä signaalilinjoja", kirjoittivat Caleb Jorda, Jacob Bernhardt ja heidän kollegansa artikkelissaan. "Tämä johdotus on seurausta alhaisesta integraatiotasosta huoneenlämpötilassa olevan ohjauselektroniikan ja millikelvinin lämpötiloissa toimivien kubittien välillä. Lupaava vaihtoehto on käyttää kryogeenistä suprajohtavaa digitaalista ohjauselektroniikkaa, joka toimii rinnakkain kubittien kanssa."
Johdotushaasteen voittaminen
Selvittääkseen johdotusongelmat, jotka ovat toistaiseksi estäneet suurempien{0}}kvanttiprosessorien kehitystä, tämä tutkimustiimi suunnitteli uuden moni-sirumoduulin. Tämä moduuli koostuu kahdesta erillisestä sirusta, joista toinen isännöi kubitteja ja toinen ohjauselektroniikkaa.
Tutkijat käyttivät erityisesti yksittäisvuon kvanttiohjauselektroniikkaa, suprajohtavia digitaalisia piirejä, jotka tuottavat erittäin lyhyitä ja tarkkoja sähköpulsseja pienten kvantisoitujen magneettisten signaalien avulla. Näitä piirejä isännöivä siru yhdistettiin suprajohtavia piirejä sisältävään siruun käyttämällä menetelmää, joka tunnetaan nimellä flip-chip bonding.
Tämä lähestymistapa edellyttää sirujen asettamista -kasvotusten-ja sitten niiden yhdistämiseen mikroskooppisten metallikuppien avulla. Jordan, Bernhardtin ja heidän kollegoidensa kehittämä koko moni-sirumoduuli toimii kryogeenisessä järjestelmässä, joka pitää sen millikelvinin lämpötiloissa.
"Esittelemme aktiivisen kvanttiprosessoriyksikön, jossa kubitit ja yhden -vuon kvanttiohjauselektroniikka on integroitu yhdeksi moni-sirumoduuliksi flip-siruliitoksen avulla", kirjoittajat kirjoittivat. "Järjestelmämme käyttää digitaalista demultipleksointia ohjauspulssien jakamiseen useille kubiteille, mikä katkaisee ohjauslinjojen lineaarisen skaalauksen kubittien lukumäärään. Tällä lähestymistavalla voimme osoittaa yksittäisten kubittien tarkkuuden yli 99 % ja jopa 99,9 %."
Uusi lähestymistapa korkealuokkaisiin kvanttiprosessoreihin
Tämän tutkimusryhmän suunnittelemalla kvanttiprosessorilla on huomattavia etuja verrattuna moniin muihin aiemmin käyttöön otettuihin suprajohtaviin kvanttiprosessoreihin. Alkutesteissä sen havaittiin toimivan erittäin hyvin, ja se ylläpitää erinomaisen kubittien hallinnan ilman laajoja johdotuksia.
Tulevaisuudessa uutta suunnittelua voitaisiin laajentaa luomaan suurempia kvanttiprosessoreja, jotka sisältävät monia lisäkubitteja ja voivat siten mahdollisesti ratkaista monimutkaisempia laskentaongelmia. Lisäksi se voisi innostaa ottamaan käyttöön muita samanlaisia monisiruisia kvanttimoduuleja, jotka toimivat luotettavasti ja joita on helpompi skaalata.
