Kvantecomputere, computersystemer, der behandler information ved hjælp af kvantemekaniske effekter, kunne udkonkurrere klassiske computere på nogle beregningsopgaver. Disse computere er afhængige af qubits, de grundlæggende enheder af kvanteinformation, som kan eksistere i flere tilstande (0, 1 eller begge samtidigt), på grund af kvanteeffekter kendt som superposition og sammenfiltring.
Mange af de kvantecomputere, der er udviklet i de senere år, er baseret på konventionelle superledere, materialer, der udviser en elektrisk modstand på nul ved ekstremt lave temperaturer. For at fungere pålideligt og udvise superledning, skal kredsløb baseret på disse materialer køles ned til millikelvin-temperaturer.
I kvantecomputere kræver hver qubit typisk sin egen kontrollinje. Det betyder, at ingeniører skal indføre flere ledninger, der bærer elektriske impulser (dvs. signallinjer), og antallet af nødvendige ledninger stiger med antallet af qubits. Efterhånden som kvantecomputere vokser sig større, kan dette være problematisk, da processorer bliver sværere at bygge og betjene pålideligt.
Forskere ved Seeqc Inc., et firma, der udvikler digitale kvantecomputersystemer, introducerede for nylig en ny kvanteprocessor, der kunne fungere pålideligt og ved millikelvin-temperaturer, på trods af at det kræver væsentligt mindre ledninger. Denne processor, introduceret i et papir udgivet iNaturelektronik, har et unikt design, hvor qubits og deres styreelektronik er integreret på to separate, men forbundne superledende chips.
"Udviklingen af superledende kvantecomputerplatforme står over for betydelige skaleringsudfordringer, fordi individuelle signallinjer er nødvendige for at kontrollere hver qubit," skrev Caleb Jorda, Jacob Bernhardt og deres kolleger i deres papir. "Denne ledningsoverhead er et resultat af det lave niveau af integration mellem kontrolelektronikken ved stuetemperatur og qubits, der opererer ved millikelvin temperaturer. Et lovende alternativ er at bruge kryogen superledende digital kontrolelektronik, der eksisterer sideløbende med qubits."
Overvinde ledningsudfordringen
For at overvinde de ledningsproblemer, der hidtil har hindret udviklingen af større-kvanteprocessorer, har dette forskerhold designet et nyt multi-chipmodul. Dette modul består af to separate chips, den ene hosting qubits og den anden styreelektronik.
Forskerne brugte specifikt enkelt-flux kvantestyringselektronik, superledende digitale kredsløb, der genererer meget korte og præcise elektriske impulser via bittesmå kvantificerede magnetiske signaler. Chippen, der var vært for disse kredsløb, var forbundet med den chip, der indeholder superledende kredsløb ved hjælp af en fremgangsmåde kendt som flip-chip-binding.
Denne tilgang indebærer, at chips placeres-til-overflade og derefter forbindes via mikroskopiske metalbuler. Hele multi-chipmodulet udviklet af Jorda, Bernhardt og deres kolleger fungerer inde i et kryogent setup, der holder det ved millikelvin-temperaturer.
"Vi præsenterer en aktiv kvanteprocessorenhed, hvor qubits og enkelt-flux kvantestyringselektronik er integreret i et enkelt multi-chipmodul via flip-chipbinding," skrev forfatterne. "Vores system bruger digital demultiplexing til at distribuere kontrolimpulser til adskillige qubits, og dermed bryde den lineære skalering af kontrollinjer til antallet af qubits. Med denne tilgang demonstrerer vi enkelt-qubit-genskabelser over 99 % og op til 99,9 %."
En ny tilgang til opskalere kvanteprocessorer
Kvanteprocessoren designet af dette forskerhold har bemærkelsesværdige fordele i forhold til mange andre superledende kvanteprocessorer introduceret i fortiden. I de indledende test viste det sig at fungere bemærkelsesværdigt godt og bevare fremragende kontrol over qubits uden behov for omfattende ledninger.
I fremtiden vil det nye design kunne skaleres op for at skabe større kvanteprocessorer, der indeholder mange ekstra qubits og dermed potentielt kan tackle mere komplekse beregningsproblemer. Derudover kunne det inspirere til introduktionen af andre lignende multi--chip kvantemoduler, der fungerer pålideligt og er nemmere at opskalere.
