Kvantni računari, računarski sistemi koji obrađuju informacije koristeći kvantnomehaničke efekte, mogli bi nadmašiti klasične računare u nekim računskim zadacima. Ovi računari se oslanjaju na kubite, osnovne jedinice kvantnih informacija, koje mogu postojati u više stanja (0, 1 ili oba istovremeno), zbog kvantnih efekata poznatih kao superpozicija i isprepletanje.
Mnogi kvantni kompjuteri razvijeni posljednjih godina baziraju se na konvencionalnim supravodičima, materijalima koji pokazuju električni otpor nula na ekstremno niskim temperaturama. Da bi radili pouzdano i pokazali supravodljivost, kola zasnovana na ovim materijalima moraju se ohladiti na milikelvin temperature.
U kvantnim računarima, svaki kubit obično zahteva svoju kontrolnu liniju. To znači da inženjeri moraju uvesti nekoliko žica koje nose električne impulse (tj. signalne linije), a broj potrebnih žica raste sa brojem kubita. Kako kvantni računari rastu, to može biti problematično, jer procesori postaju sve teži za izradu i pouzdaniji rad.
Istraživači u Seeqc Inc., kompaniji koja razvija digitalne kvantne računarske sisteme, nedavno su predstavili novi kvantni procesor koji bi mogao pouzdano raditi i na milikelvinskim temperaturama, uprkos tome što zahtijeva znatno manje ožičenja. Ovaj procesor, predstavljen u radu objavljenom uNature Electronics, ima jedinstven dizajn u kojem su kubiti i njihova kontrolna elektronika integrirani na dva odvojena, ali povezana supravodljiva čipa.
"Razvoj supravodljivih kvantnih računarskih platformi suočava se sa značajnim izazovima skaliranja jer su za kontrolu svakog kubita potrebne pojedinačne signalne linije", napisali su Caleb Jorda, Jacob Bernhardt i njihove kolege u svom radu. "Ovo ožičenje je rezultat niskog nivoa integracije između kontrolne elektronike na sobnoj temperaturi i kubita koji rade na milikelvinskim temperaturama. Alternativa koja obećava je korištenje kriogene supravodljive digitalne kontrolne elektronike koja koegzistira s kubitima."
Prevazilaženje izazova ožičenja
Kako bi prevazišao probleme ožičenja koji su do sada ometali razvoj kvantnih procesora-većih razmjera, ovaj istraživački tim je dizajnirao novi modul sa više{1}}čipova. Ovaj modul se sastoji od dva odvojena čipa, od kojih jedan ima kubitove, a drugi kontrolnu elektroniku.
Istraživači su posebno koristili jedno-kvantnu kontrolnu elektroniku, supravodljiva digitalna kola koja generiraju vrlo kratke i precizne električne impulse putem sićušnih kvantiziranih magnetnih signala. Čip u kojem se nalaze ova kola je povezan sa čipom koji sadrži supravodljiva kola koristeći pristup poznat kao flip{2}}vezivanje čipa.
Ovaj pristup podrazumijeva postavljanje čipova licem-u-a zatim njihovo povezivanje putem mikroskopskih metalnih izbočina. Cijeli modul sa više-čipova koji su razvili Jorda, Bernhardt i njihove kolege radi unutar kriogene instalacije koja ga održava na milikelvinskim temperaturama.
"Predstavljamo aktivnu kvantnu procesorsku jedinicu u kojoj su kubiti i jedno-kvantna kontrolna elektronika integrisani u jedan modul sa više-čipova putem flip-vezivanja čipova," napisali su autori. "Naš sistem koristi digitalno demultipleksiranje za distribuciju kontrolnih impulsa na nekoliko kubita, čime se razbija linearno skaliranje kontrolnih linija na broj kubita. Ovim pristupom demonstriramo vjernost jednog-kubita iznad 99% i do 99,9%."
Novi pristup vrhunskim kvantnim procesorima
Kvantni procesor koji je dizajnirao ovaj istraživački tim ima značajne prednosti u odnosu na mnoge druge supravodljive kvantne procesore predstavljene u prošlosti. U početnim testovima je utvrđeno da radi izvanredno dobro, održavajući odličnu kontrolu nad kubitima bez potrebe za opsežnim ožičenjem.
U budućnosti, novi dizajn bi se mogao povećati kako bi se stvorili veći kvantni procesori koji sadrže mnogo dodatnih kubita i tako potencijalno mogu rješavati složenije računske probleme. Osim toga, to bi moglo inspirisati uvođenje drugih sličnih kvantnih modula sa više-čipova koji rade pouzdano i lakše se povećavaju.
