Квантовите компютри, изчислителни системи, които обработват информация с помощта на квантово-механични ефекти, биха могли да надминат класическите компютри при някои изчислителни задачи. Тези компютри разчитат на кубити, основните единици на квантовата информация, които могат да съществуват в множество състояния (0, 1 или и двете едновременно), поради квантови ефекти, известни като суперпозиция и заплитане.
Много от квантовите компютри, разработени през последните години, са базирани на конвенционални свръхпроводници, материали, които показват електрическо съпротивление от нула при изключително ниски температури. За да работят надеждно и да показват свръхпроводимост, веригите, базирани на тези материали, трябва да бъдат охладени до температури на миликелвин.
В квантовите компютри всеки кубит обикновено изисква собствена контролна линия. Това означава, че инженерите трябва да въведат няколко проводника, които пренасят електрически импулси (т.е. сигнални линии), а броят на необходимите проводници се увеличава с броя на кубитите. Тъй като квантовите компютри стават все по-големи, това може да бъде проблематично, тъй като процесорите стават по-трудни за изграждане и надеждна работа.
Изследователи от Seeqc Inc., компания, която разработва цифрови квантови изчислителни системи, наскоро представиха нов квантов процесор, който може да работи надеждно и при температури на миликелвин, въпреки че изисква значително по-малко окабеляване. Този процесор, представен в статия, публикувана вПриродна електроника, има уникален дизайн, в който кубитите и тяхната управляваща електроника са интегрирани в два отделни, но свързани свръхпроводящи чипа.
„Разработването на свръхпроводящи квантови изчислителни платформи е изправено пред значителни предизвикателства за мащабиране, тъй като са необходими отделни сигнални линии за контролиране на всеки кубит“, пишат Калеб Джорда, Джейкъб Бернхард и техните колеги в своята статия. "Това окабеляване е резултат от ниското ниво на интеграция между управляващата електроника при стайна температура и кубитите, работещи при температури на миликелвини. Обещаваща алтернатива е използването на криогенна свръхпроводяща цифрова електроника за управление, която съществува съвместно с кубити."
Преодоляване на предизвикателството за окабеляване
За да преодолее проблемите с окабеляването, които досега възпрепятстваха разработването на по--квантови процесори, този изследователски екип проектира нов много{1}}чипов модул. Този модул се състои от два отделни чипа, единият хоства кубити, а другият управляваща електроника.
Изследователите специално са използвали електроника за квантово управление с един-поток, свръхпроводящи цифрови вериги, които генерират много кратки и прецизни електрически импулси чрез малки квантувани магнитни сигнали. Чипът, съдържащ тези вериги, беше свързан към чипа, който съдържа свръхпроводящи вериги, като се използва подход, известен като flip-chip bonding.
Този подход включва поставяне на чипове лице-с-лице и след това свързването им чрез микроскопични метални издатини. Целият много{3}}чипов модул, разработен от Джорда, Бернхард и техните колеги, работи в криогенна инсталация, която го поддържа при температури на миликелвин.
„Представяме активен квантов процесор, в който кубитите и електрониката за квантово управление с един-поток са интегрирани в единичен много{1}}чипов модул чрез флип-свързване на чипове“, пишат авторите. „Нашата система използва цифрово демултиплексиране, за да разпредели контролни импулси към няколко кубита, като по този начин нарушава линейното мащабиране на контролните линии спрямо броя на кубитите. С този подход ние демонстрираме точност на единични-кубити над 99% и до 99,9%.“
Нов подход към висококачествени квантови процесори
Квантовият процесор, проектиран от този изследователски екип, има забележителни предимства пред много други свръхпроводящи квантови процесори, въведени в миналото. При първоначалните тестове беше установено, че се представя забележително добре, поддържайки отличен контрол над кубитите без необходимост от обширно окабеляване.
В бъдеще новият дизайн може да бъде увеличен, за да създаде по-големи квантови процесори, които съдържат много допълнителни кубити и по този начин могат потенциално да се справят с по-сложни изчислителни проблеми. В допълнение, това може да вдъхнови въвеждането на други подобни много-чипови квантови модули, които работят надеждно и са по-лесни за мащабиране.
