Kvantni računalniki, računalniški sistemi, ki obdelujejo informacije z uporabo kvantno mehanskih učinkov, bi lahko pri nekaterih računalniških nalogah prekašali klasične računalnike. Ti računalniki se zanašajo na kubite, osnovne enote kvantnih informacij, ki lahko obstajajo v več stanjih (0, 1 ali oboje hkrati), zaradi kvantnih učinkov, znanih kot superpozicija in prepletenost.
Številni kvantni računalniki, razviti v zadnjih letih, temeljijo na običajnih superprevodnikih, materialih, ki pri izredno nizkih temperaturah kažejo električni upor nič. Za zanesljivo delovanje in izkazovanje superprevodnosti je treba vezja, ki temeljijo na teh materialih, ohladiti na temperaturo milikelvinov.
V kvantnih računalnikih vsak kubit običajno zahteva lastno krmilno linijo. To pomeni, da morajo inženirji uvesti več žic, ki prenašajo električne impulze (tj. signalne linije), število potrebnih žic pa se povečuje s številom kubitov. Ko kvantni računalniki rastejo, je to lahko problematično, saj je procesorje težje zgraditi in zanesljivo delovati.
Raziskovalci podjetja Seeqc Inc., ki razvija digitalne kvantne računalniške sisteme, so pred kratkim predstavili nov kvantni procesor, ki bi lahko deloval zanesljivo in pri temperaturah milikelvinov, kljub temu, da zahteva bistveno manj ožičenja. Ta procesor, predstavljen v članku, objavljenem vNaravna elektronika, ima edinstveno zasnovo, v kateri so kubiti in njihova krmilna elektronika integrirani na dveh ločenih, a povezanih superprevodnih čipih.
"Razvoj superprevodnih kvantnih računalniških platform se sooča s precejšnjimi izzivi skaliranja, ker so za nadzor vsakega kubita potrebne posamezne signalne linije," so v svojem prispevku zapisali Caleb Jorda, Jacob Bernhardt in njihovi kolegi. "Ta režijski stroški ožičenja so posledica nizke stopnje integracije med krmilno elektroniko pri sobni temperaturi in kubiti, ki delujejo pri temperaturah milikelvinov. Obetavna alternativa je uporaba kriogene superprevodne digitalne krmilne elektronike, ki obstaja skupaj s kubiti."
Premagovanje izziva ožičenja
Za premagovanje težav z ožičenjem, ki so doslej ovirale razvoj kvantnih procesorjev večjega-razsežnosti, je ta raziskovalna skupina oblikovala nov modul z več-čipi. Ta modul je sestavljen iz dveh ločenih čipov, od katerih eden gosti kubite, drugi pa nadzorno elektroniko.
Raziskovalci so posebej uporabili kvantno krmilno elektroniko z enim-tokom, superprevodna digitalna vezja, ki ustvarjajo zelo kratke in natančne električne impulze prek majhnih kvantiziranih magnetnih signalov. Čip, ki gosti ta vezja, je bil povezan s čipom, ki vsebuje superprevodna vezja, s pristopom, znanim kot flip-vezovanje čipov.
Ta pristop vključuje namestitev čipov-oči-in njihovo nato povezovanje z mikroskopskimi kovinskimi izboklinami. Celoten modul z več-čipi, ki so ga razvili Jorda, Bernhardt in njihovi sodelavci, deluje v kriogeni nastavitvi, ki ga vzdržuje pri temperaturah v milikelvinih.
»Predstavljamo aktivno kvantno procesorsko enoto, v kateri so kubiti in kvantna krmilna elektronika z enim-pretokom integrirani v en sam več-modul čipov prek flip-vezovanja čipov,« so zapisali avtorji. "Naš sistem uporablja digitalno demultipleksiranje za distribucijo krmilnih impulzov na več kubitov, s čimer prekine linearno skaliranje krmilnih linij na število kubitov. S tem pristopom prikazujemo zvestobe posameznega-kubita nad 99 % in do 99,9 %."
Nov pristop k vrhunskim kvantnim procesorjem
Kvantni procesor, ki ga je zasnovala ta raziskovalna skupina, ima pomembne prednosti pred mnogimi drugimi superprevodnimi kvantnimi procesorji, ki so bili predstavljeni v preteklosti. V začetnih preizkusih je bilo ugotovljeno, da deluje izjemno dobro in ohranja odličen nadzor nad kubiti brez potrebe po obsežnem ožičenju.
V prihodnosti bi lahko novo zasnovo razširili, da bi ustvarili večje kvantne procesorje, ki vsebujejo veliko dodatnih kubitov in se tako lahko lotijo bolj zapletenih računalniških problemov. Poleg tega bi lahko spodbudilo uvedbo drugih podobnih kvantnih modulov z več-čipi, ki delujejo zanesljivo in jih je lažje povečati.
