Kvantové počítače, výpočetní systémy, které zpracovávají informace pomocí kvantově mechanických efektů, by mohly v některých výpočetních úlohách překonat klasické počítače. Tyto počítače se spoléhají na qubity, základní jednotky kvantové informace, které mohou existovat ve více stavech (0, 1 nebo oba současně), kvůli kvantovým efektům známým jako superpozice a zapletení.
Mnoho z kvantových počítačů vyvinutých v posledních letech je založeno na konvenčních supravodičech, materiálech, které vykazují nulový elektrický odpor při extrémně nízkých teplotách. Aby fungovaly spolehlivě a vykazovaly supravodivost, je třeba obvody založené na těchto materiálech ochladit na milikelvinové teploty.
V kvantových počítačích každý qubit obvykle vyžaduje svou vlastní řídicí linku. To znamená, že inženýři musí zavést několik vodičů, které přenášejí elektrické impulsy (tj. signální vedení), a počet potřebných vodičů se zvyšuje s počtem qubitů. Jak se kvantové počítače zvětšují, může to být problematické, protože procesory se hůře sestavují a spolehlivě fungují.
Výzkumníci ze společnosti Seeqc Inc., která vyvíjí digitální kvantové výpočetní systémy, nedávno představili nový kvantový procesor, který by mohl fungovat spolehlivě a při teplotách v milikelvinech, přestože vyžaduje podstatně méně kabeláže. Tento procesor, představený v článku publikovaném vPřírodní elektronika, má unikátní design, ve kterém jsou qubity a jejich řídicí elektronika integrovány na dvou samostatných, ale propojených supravodivých čipech.
„Vývoj supravodivých kvantových počítačových platforem čelí značným výzvám v oblasti škálování, protože k řízení každého qubitu jsou zapotřebí samostatné signálové linky,“ napsali Caleb Jorda, Jacob Bernhardt a jejich kolegové ve svém článku. "Tato režie vedení je výsledkem nízké úrovně integrace mezi řídicí elektronikou při pokojové teplotě a qubity pracujícími při teplotách milikelvinů. Slibnou alternativou je použití kryogenní supravodivé digitální řídicí elektroniky, která koexistuje s qubity."
Překonání výzvy kabeláže
Aby tento výzkumný tým překonal problémy s kabeláží, které dosud bránily vývoji větších-kvantových procesorů, navrhl nový vícečipový modul. Tento modul se skládá ze dvou samostatných čipů, z nichž jeden hostuje qubity a druhý řídicí elektroniku.
Výzkumníci konkrétně použili elektroniku kvantového řízení s jedním tokem, supravodivé digitální obvody, které generují velmi krátké a přesné elektrické impulsy prostřednictvím malých kvantovaných magnetických signálů. Čip hostující tyto obvody byl připojen k čipu, který obsahuje supravodivé obvody, pomocí přístupu známého jako flip-chip bonding.
Tento přístup spočívá v umístění čipů-čelem k{1}}čelu a následnému propojení pomocí mikroskopických kovových hrbolků. Celý multi-čipový modul vyvinutý Jordou, Bernhardtem a jejich kolegy funguje uvnitř kryogenního nastavení, které jej udržuje na milikelvinových teplotách.
„Představujeme aktivní kvantovou procesorovou jednotku, ve které jsou qubity a elektronika kvantového řízení s jedním tokem integrovány do jednoho více-čipového modulu prostřednictvím flip-spojování čipů,“ napsali autoři. "Náš systém používá digitální demultiplexování k distribuci řídicích impulsů na několik qubitů, čímž se prolomí lineární škálování řídicích linek na počet qubitů. S tímto přístupem prokazujeme přesnost jednotlivých-qubitů vyšší než 99 % a až 99,9 %.
Nový přístup k upscale kvantovým procesorům
Kvantový procesor navržený tímto výzkumným týmem má výrazné výhody oproti mnoha jiným supravodivým kvantovým procesorům představeným v minulosti. V počátečních testech bylo zjištěno, že funguje pozoruhodně dobře a udržuje vynikající kontrolu nad qubity bez potřeby rozsáhlého zapojení.
V budoucnu by mohl být nový design škálován tak, aby vytvořil větší kvantové procesory, které obsahují mnoho dalších qubitů a mohou tak potenciálně řešit složitější výpočetní problémy. Kromě toho by to mohlo inspirovat k představení dalších podobných vícečipových kvantových modulů, které fungují spolehlivě a lze je snadněji upgradovat.
