معماری جدید تراشه امیدی را برای بزرگ‌سازی آرایه‌های کیوبیت ابررسانا - Physics World ارائه می‌کند

معماری جدید تراشه امیدی را برای بزرگ‌سازی آرایه‌های کیوبیت ابررسانا - Physics World ارائه می‌کند

تمبر زمان: 17 نوامبر 2023، 4:28 صبح

عکس دو تراشه که روی هم چیده شده اند
ماژول چند تراشه: عکسی که تراشه کیوبیت (که با رنگ قرمز مشخص شده است) را نشان می دهد که روی تراشه کوانتومی تک شار (SFQ) انباشته شده است (به رنگ آبی مشخص شده است). (برگرفته از "کنترل دیجیتال مبتنی بر کوانتومی تک شار کوبیت های ابررسانا در یک ماژول چند تراشه"، PRX کوانتومی 4، 030310 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030310)

دانشمندان در ایالات متحده یک معماری جدید مبتکرانه تراشه کوانتومی را معرفی کرده اند که به طور قابل توجهی اختلالات ناشی از سیگنال های مورد استفاده برای کنترل مدارهای بیت کوانتومی ابررسانا (کیوبیت) را کاهش می دهد. به رهبری چوان هونگ لیو و رابرت مک درموت از دانشگاه ویسکانسین، تیم نشان داد که ماژول چند تراشه جدید (MCM) خطاهای گیت را تقریباً 10 برابر در مقایسه با طرح‌های قبلی که از سیستم کنترل مشابه استفاده می‌کردند، کاهش می‌دهد و آن را به یک رقیب قابل دوام برای فناوری‌های استاندارد تبدیل می‌کند.

از میان بسیاری از محققان سیستم‌های فیزیکی که به عنوان «بلوک‌های سازنده» بالقوه برای یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر کاوش می‌کنند، کیوبیت ابررسانا به دلیل زمان انسجام بالا (معیار مدت زمان ماندن در حالت کوانتومی) و وفاداری (معیار اندازه‌گیری چقدر عملیات آن بدون خطا است). اما به همان اندازه که محاسبات کوانتومی ابررسانا می تواند قدرتمند باشد، باز کردن پتانسیل کامل آن به بیش از 1 میلیون کیوبیت فیزیکی نیاز دارد. این یک چالش است، زیرا سیستم کیوبیت ابررسانا برای کار کردن به خنک‌کننده‌های برودتی حجیم و دستگاه‌های پیچیده کنترل مایکروویو نیاز دارد.

یکی از راه‌های ساده‌سازی این دستگاه کنترل، کنترل کیوبیت‌ها با استفاده از کوچک‌ترین واحدهای میدان مغناطیسی - کوانتای شار - به جای امواج مایکروویو است. دروازه‌های کوانتومی مبتنی بر فناوری منطق دیجیتال کوانتومی تک شار (SFQ)، از دنباله‌ای از پالس‌های شار کوانتیزه شده با زمان‌بندی بین پالس که دقیقاً مطابق با دوره نوسان کیوبیت کالیبره شده است، استفاده می‌کنند. این روش کارآمد انرژی، فشرده و قابلیت انجام عملیات با سرعت بالا است و آن را به یک نامزد ایده آل برای ادغام در مدارهای چند کیوبیتی تبدیل می کند.

یک مشکل سمی

مشکل این است که مدار SFQ باید نزدیک به کیوبیت ها قرار گیرد که به طور اجتناب ناپذیری منجر به پدیده ای به نام مسمومیت شبه ذرات در طی تولید پالس می شود. این مسمومیت شبه ذرات باعث ایجاد آرامش، تحریک و اختلالات نامطلوب در مدار ابررسانا می شود و طول عمر کیوبیت را کاهش می دهد.

برای دور زدن این چالش، لیو و همکارانش معماری MCM را اتخاذ کردند. در این تنظیمات، درایور SFQ و مدارهای کیوبیت روی تراشه‌های جداگانه قرار دارند. این تراشه ها با یک شکاف 6.4 میکرومتری در بین یکدیگر روی هم قرار گرفته اند و با استفاده از اتصالات موسوم به In-bumps به یکدیگر متصل می شوند. جداسازی فیزیکی بین دو تراشه چندین مزیت دارد. این عمدتا به عنوان یک مانع عمل می کند و از انتشار مستقیم شبه ذرات از درایور SFQ به کیوبیت جلوگیری می کند. علاوه بر این، از عبور منبع دیگر اختلالات - فونون ها، که ارتعاشات اتمی یا مولکولی هستند - در مواد جلوگیری می کند، زیرا پیوندهای In-bump نوعی مقاومت در برابر انتشار آنها ارائه می دهند. به لطف این مقاومت، این ارتعاشات به طور موثری پراکنده می شوند و از رسیدن به تراشه کیوبیت جلوگیری می کنند.

مرتبه بهبود

در آزمایشات اولیه منطق دیجیتال SFQ با استفاده از طراحی روی تراشه، میانگین خطای دروازه کیوبیت 9.1٪ بود. به لطف MCM، تیم لیو و مک درموت این میزان را به 1.2 درصد کاهش دادند - تقریباً یک مرتبه بهبود.

به عنوان یک هدف آینده، محققان ویسکانسین و همکارانشان در دانشگاه سیراکیوز، موسسه ملی استاندارد و فناوری، دانشگاه کلرادو و آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور قصد دارند بیشتر منابع مسمومیت شبه ذرات را کاهش دهند. با آزمایش سایر طرح‌های مناسب و بهینه‌سازی بیشتر قطارهای پالس SFQ، این تیم می‌گوید ممکن است بتوان خطاهای گیت را به حداقل 0.1% یا حتی 0.01% کاهش داد و SFQ را به مسیری امیدوارکننده برای دستیابی به مقیاس‌پذیری در کیوبیت‌های ابررسانا و باز کردن قفل آن تبدیل کرد. قدرت محاسباتی نمایی کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا

این تحقیق در منتشر شده است PRX کوانتومی.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک