Η νέα αρχιτεκτονική τσιπ προσφέρει ελπίδα για την κλιμάκωση υπεραγώγιμων συστοιχιών qubit – Physics World

Επιστήμονες στις ΗΠΑ εισήγαγαν μια έξυπνη νέα αρχιτεκτονική κβαντικών τσιπ που μειώνει σημαντικά τις διαταραχές που προκαλούνται από τα σήματα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο υπεραγώγιμων κυκλωμάτων κβαντικών bit (qubit). Με επικεφαλής τον Τσουάν Χονγκ Λιου και Ρόμπερτ ΜακΝτέρμοτ του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν, το έδειξε ότι η νέα μονάδα πολλαπλών κυκλωμάτων (MCM) μειώνει τα σφάλματα πύλης κατά σχεδόν έναν παράγοντα 10 σε σύγκριση με προηγούμενα σχέδια που χρησιμοποιούσαν το ίδιο σύστημα ελέγχου, καθιστώντας την βιώσιμο ανταγωνιστή των τυπικών τεχνολογιών.

Από τα πολλά φυσικά συστήματα που διερευνούν οι ερευνητές ως πιθανά «δομικά στοιχεία» για έναν κλιμακωτό κβαντικό υπολογιστή, το υπεραγώγιμο qubit ξεχωρίζει λόγω του υψηλού χρόνου συνοχής του (ένα μέτρο του πόσο καιρό παραμένει σε κβαντική κατάσταση) και της πιστότητας (ένα μέτρο πόσο χωρίς σφάλματα είναι οι λειτουργίες του). Αλλά όσο ισχυρός μπορεί να είναι ο υπεραγώγιμος κβαντικός υπολογισμός, το ξεκλείδωμα του πλήρους δυναμικού του θα απαιτήσει περισσότερα από 1 εκατομμύριο φυσικά qubits. Αυτό αποτελεί πρόκληση, καθώς το υπεραγώγιμο σύστημα qubit απαιτεί ογκώδεις κρυογονικούς ψύκτες και εξελιγμένες συσκευές ελέγχου μικροκυμάτων για να λειτουργήσει.

Ένας τρόπος απλοποίησης αυτής της συσκευής ελέγχου θα ήταν ο έλεγχος των qubits χρησιμοποιώντας τις μικρότερες μονάδες μαγνητικού πεδίου - κβάντα ροής - αντί για μικροκύματα. Οι κβαντικές πύλες που βασίζονται σε αυτήν την τεχνολογία ψηφιακής λογικής απλής ροής κβαντικής ροής (SFQ), όπως είναι γνωστό, χρησιμοποιούν μια ακολουθία κβαντισμένων παλμών ροής με χρονισμό μεταξύ παλμών βαθμονομημένο με ακρίβεια στην περίοδο ταλάντωσης του qubit. Αυτή η μέθοδος είναι ενεργειακά αποδοτική, συμπαγής και ικανή για λειτουργίες υψηλής ταχύτητας, καθιστώντας την ιδανική υποψήφια για ενσωμάτωση σε κυκλώματα multiqubit.

Δηλητηριώδες πρόβλημα

Το πρόβλημα είναι ότι το κύκλωμα SFQ πρέπει να τοποθετηθεί κοντά στα qubits, κάτι που αναπόφευκτα οδηγεί σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται ημισωματιδιακή δηλητηρίαση κατά τη δημιουργία παλμών. Αυτή η δηλητηρίαση από οιονεί σωματίδια προκαλεί ανεπιθύμητες χαλαρώσεις, διεγέρσεις και διαταραχές στο υπεραγώγιμο κύκλωμα, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής του qubit.

Για να παρακάμψουν αυτή την πρόκληση, ο Liu και οι συνεργάτες του υιοθέτησαν την αρχιτεκτονική MCM. Σε αυτήν τη ρύθμιση, το πρόγραμμα οδήγησης SFQ και τα κυκλώματα qubit βρίσκονται σε ξεχωριστά τσιπ. Αυτά τα τσιπ στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο με ένα κενό 6.4 μικρομέτρων μεταξύ τους και συνδέονται μεταξύ τους χρησιμοποιώντας διασυνδέσεις γνωστές ως In-bumps. Ο φυσικός διαχωρισμός μεταξύ των δύο τσιπ προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα. Λειτουργεί κυρίως ως φράγμα, εμποδίζοντας τα οιονεί σωματίδια να διασκορπιστούν απευθείας από τον οδηγό SFQ στο qubit. Επιπλέον, αποτρέπει μια άλλη πηγή διαταραχών - φωνόνια, που είναι ατομικές ή μοριακές δονήσεις - από το να ταξιδέψουν μέσα στο υλικό, καθώς οι δεσμοί In-bump προσφέρουν ένα είδος αντίστασης στη διάδοσή τους. Χάρη σε αυτή την αντίσταση, αυτοί οι κραδασμοί διασκορπίζονται αποτελεσματικά και εμποδίζονται να φτάσουν στο τσιπ qubit.

Βελτίωση τάξης μεγέθους

Στις αρχικές δοκιμές της ψηφιακής λογικής SFQ με χρήση σχεδίασης on-chip, το μέσο σφάλμα πύλης qubit ήταν 9.1%. Χάρη στο MCM, η ομάδα του Liu και του McDermott μείωσε αυτό το ποσοστό στο 1.2% – σχεδόν μια τάξη μεγέθους βελτίωση.

Το αγαπημένο μου Qubit: κβαντική προσομοίωση και υπολογισμός με υπεραγώγιμα qubit

Ως μελλοντικός στόχος, οι ερευνητές του Ουισκόνσιν και οι συνάδελφοί τους στο Πανεπιστήμιο των Συρακουσών, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο και το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στοχεύουν στην περαιτέρω μείωση των πηγών δηλητηρίασης από οιονεί σωματίδια. Πειραματίζοντας με άλλα κατάλληλα σχέδια και βελτιστοποιώντας περαιτέρω τα παλμικά τρένα SFQ, η ομάδα λέει ότι μπορεί να είναι δυνατό να μειωθούν τα σφάλματα της πύλης σε 0.1% ή ακόμα και 0.01%, καθιστώντας το SFQ μια πολλά υποσχόμενη διαδρομή για την επίτευξη κλιμάκωσης στα υπεραγώγιμα qubits και το ξεκλείδωμα του εκθετική υπολογιστική ισχύς κβαντικών υπολογιστών με ανοχή σε σφάλματα.

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Κβαντικό PRX.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/