توفر بنية الرقائق الجديدة الأمل في توسيع نطاق مصفوفات الكيوبت فائقة التوصيل - عالم الفيزياء

قدم العلماء في الولايات المتحدة بنية جديدة ومبتكرة للرقائق الكمومية تقلل بشكل كبير من الاضطرابات الناجمة عن الإشارات المستخدمة للتحكم في دوائر البت الكمومي فائقة التوصيل (qubit). بقيادة تشوان هونغ ليو و روبرت مكديرموت من جامعة ويسكونسن، فريق أظهر أن وحدة الرقائق المتعددة الجديدة (MCM) تقلل من أخطاء البوابة بما يقرب من 10 أضعاف مقارنة بالتصميمات السابقة التي استخدمت نفس نظام التحكم، مما يجعلها منافسًا صالحًا للتقنيات القياسية.

من بين العديد من الأنظمة الفيزيائية التي يستكشفها الباحثون باعتبارها "لبنات بناء" محتملة لحاسوب كمومي قابل للتطوير، يبرز الكيوبت فائق التوصيل بسبب وقت تماسكه العالي (مقياس المدة التي يبقى فيها في حالة كمومية) وإخلاصه (مقياس مدى خلو عملياتها من الأخطاء). ولكن على الرغم من قوة الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل، فإن إطلاق العنان لإمكاناتها الكاملة سيتطلب أكثر من مليون كيوبت مادي. يمثل هذا تحديًا، حيث يتطلب نظام الكيوبت فائق التوصيل مبردات كبيرة الحجم وأجهزة تحكم متطورة في الموجات الدقيقة لتشغيله.

تتمثل إحدى طرق تبسيط جهاز التحكم هذا في التحكم في الكيوبتات باستخدام أصغر وحدات المجال المغناطيسي -كميات التدفق- بدلاً من الموجات الدقيقة. تستخدم البوابات الكمومية المبنية على تقنية المنطق الرقمي الكمي الفردي (SFQ)، كما هو معروف، سلسلة من نبضات التدفق الكمي مع توقيت بين النبضات تمت معايرته بدقة لفترة تذبذب الكيوبت. تتميز هذه الطريقة بالكفاءة في استخدام الطاقة، وصغر الحجم، وقادرة على إجراء عمليات عالية السرعة، مما يجعلها مرشحًا مثاليًا للتكامل في الدوائر متعددة الكيوبت.

مشكلة سامة

تكمن المشكلة في أنه يجب وضع دائرة SFQ بالقرب من الكيوبتات، مما يؤدي حتمًا إلى ظاهرة تسمى التسمم بأشباه الجسيمات أثناء توليد النبضة. يؤدي هذا التسمم بشبه الجسيمات إلى حدوث ارتخاءات وإثارة واضطرابات غير مرغوب فيها في دائرة التوصيل الفائق، مما يقلل من عمر الكيوبت.

وللتحايل على هذا التحدي، اعتمد ليو وزملاؤه بنية MCM. في هذا الإعداد، يوجد برنامج تشغيل SFQ ودوائر الكيوبت على شرائح منفصلة. يتم تكديس هذه الرقائق فوق بعضها البعض مع وجود فجوة تبلغ 6.4 ميكرومتر بينهما ويتم ربطها معًا باستخدام الوصلات البينية المعروفة باسم In-bumps. يوفر الفصل المادي بين الشريحتين العديد من المزايا. إنه يعمل بشكل أساسي كحاجز، يمنع أشباه الجسيمات من التبدد مباشرة من محرك SFQ إلى الكيوبت. بالإضافة إلى ذلك، فهو يمنع مصدرًا آخر للاضطرابات - الفونونات، وهي اهتزازات ذرية أو جزيئية - من السفر عبر المادة، حيث توفر الروابط الداخلية نوعًا من المقاومة لانتشارها. وبفضل هذه المقاومة، يتم تشتيت هذه الاهتزازات بشكل فعال ومنعها من الوصول إلى شريحة الكيوبت.

ترتيب تحسين الحجم

في التجارب الأولية للمنطق الرقمي SFQ باستخدام تصميم على الرقاقة، كان متوسط ​​خطأ بوابة الكيوبت 9.1%. وبفضل MCM، نجح فريق ليو وماكديرموت في خفض هذا المعدل إلى 1.2% ــ وهو تحسن كبير تقريباً.

الكيوبت المفضل لدي: المحاكاة الكمومية والحساب باستخدام الكيوبتات فائقة التوصيل

كهدف مستقبلي، يهدف الباحثون في ويسكونسن وزملاؤهم في جامعة سيراكيوز والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وجامعة كولورادو ومختبر لورانس ليفرمور الوطني إلى تقليل مصادر التسمم بأشباه الجسيمات. ومن خلال تجربة تصميمات أخرى مناسبة وتحسين قطارات نبض SFQ بشكل أكبر، يقول الفريق إنه قد يكون من الممكن تقليل أخطاء البوابة إلى ما يصل إلى 0.1% أو حتى 0.01%، مما يجعل SFQ مسارًا واعدًا نحو تحقيق قابلية التوسع في الكيوبتات فائقة التوصيل وفتح المجال. قوة الحوسبة الأسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة مع الأخطاء.

تم نشر البحث في PRX الكم.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/