สถาปัตยกรรมชิปใหม่มอบความหวังในการขยายอาร์เรย์ควิบิตตัวนำยิ่งยวด - Physics World

นักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกาได้เปิดตัวสถาปัตยกรรมชิปควอนตัมใหม่ที่ชาญฉลาด ซึ่งลดการรบกวนที่เกิดจากสัญญาณที่ใช้ในการควบคุมวงจรควอนตัมบิต (คิวบิต) ตัวนำยิ่งยวดได้อย่างมาก นำโดย ชวน หง หลิว และ โรเบิร์ต แมคเดอร์มอตต์ ของมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน ทีม แสดงให้เห็นว่าโมดูลมัลติชิป (MCM) ใหม่ช่วยลดข้อผิดพลาดเกตได้เกือบ 10 เท่า เมื่อเทียบกับการออกแบบก่อนหน้านี้ที่ใช้ระบบควบคุมแบบเดียวกัน ทำให้กลายเป็นคู่แข่งที่มีศักยภาพกับเทคโนโลยีมาตรฐาน

ในบรรดานักวิจัยระบบกายภาพจำนวนมากกำลังสำรวจว่าเป็น "ส่วนประกอบ" ที่มีศักยภาพสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ปรับขนาดได้ คิวบิตตัวนำยิ่งยวดมีความโดดเด่นเนื่องจากเวลาในการเชื่อมโยงกันสูง (เป็นตัววัดระยะเวลาที่มันยังคงอยู่ในสถานะควอนตัม) และความเที่ยงตรง (การวัดของ การดำเนินงานปราศจากข้อผิดพลาดเพียงใด) แต่แม้จะทรงพลังพอๆ กับการคำนวณควอนตัมตัวนำยิ่งยวด การปลดล็อคศักยภาพสูงสุดของมันก็ยังต้องใช้คิวบิตจริงมากกว่า 1 ล้านคิวบิต สิ่งนี้นำเสนอความท้าทาย เนื่องจากระบบคิวบิตตัวนำยิ่งยวดต้องการเครื่องทำความเย็นแบบไครโอเจนิกขนาดใหญ่ขนาดใหญ่และอุปกรณ์ควบคุมไมโครเวฟที่ซับซ้อนในการทำงาน

วิธีหนึ่งในการทำให้อุปกรณ์ควบคุมนี้ง่ายขึ้นคือการควบคุมคิวบิตโดยใช้หน่วยสนามแม่เหล็กที่เล็กที่สุด - ควอนตัมฟลักซ์ - แทนไมโครเวฟ ดังที่ทราบกันว่าประตูควอนตัมที่ใช้เทคโนโลยีลอจิกดิจิทัลซิงเกิลฟลักซ์ควอนตัม (SFQ) ใช้ลำดับของฟลักซ์พัลส์เชิงปริมาณที่มีการกำหนดเวลาระหว่างพัลส์ที่ได้รับการปรับเทียบอย่างแม่นยำกับคาบการแกว่งของคิวบิต วิธีการนี้ประหยัดพลังงาน กะทัดรัด และสามารถทำงานด้วยความเร็วสูงได้ ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบูรณาการเข้ากับวงจรมัลติควอบิต

ปัญหาเป็นพิษ

ปัญหาคือต้องวางวงจร SFQ ใกล้กับคิวบิต ซึ่งจะนำไปสู่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าพิษแบบควอซิพาร์กเคิลในระหว่างการสร้างพัลส์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ พิษจาก Quasiparticle นี้กระตุ้นให้เกิดการผ่อนคลาย การกระตุ้น และการหยุดชะงักในวงจรตัวนำยิ่งยวดโดยไม่พึงประสงค์ ส่งผลให้อายุการใช้งานของ qubit ลดลง

เพื่อหลีกเลี่ยงความท้าทายนี้ Liu และเพื่อนร่วมงานจึงนำสถาปัตยกรรม MCM มาใช้ ในการตั้งค่านี้ ไดรเวอร์ SFQ และวงจร qubit จะอยู่บนชิปที่แยกจากกัน ชิปเหล่านี้วางซ้อนกันโดยมีช่องว่างระหว่างกัน 6.4 ไมโครเมตร และเชื่อมต่อเข้าด้วยกันโดยใช้การเชื่อมต่อที่เรียกว่า In-bumps การแยกทางกายภาพระหว่างชิปทั้งสองมีข้อดีหลายประการ โดยส่วนใหญ่จะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน quasiparticles กระจายโดยตรงจากไดรเวอร์ SFQ ไปยังควิบิต นอกจากนี้ยังป้องกันแหล่งกำเนิดการรบกวนอื่นๆ เช่น โฟนัน ซึ่งเป็นการสั่นสะเทือนของอะตอมหรือโมเลกุล ไม่ให้เคลื่อนที่ผ่านวัสดุ เนื่องจากพันธะแบบชนกันมีความต้านทานต่อการแพร่กระจายของพวกมัน ด้วยการต้านทานนี้ การสั่นสะเทือนเหล่านี้จึงกระจัดกระจายอย่างมีประสิทธิภาพและป้องกันไม่ให้ไปถึงชิปควิบิต

ลำดับความสำคัญของการปรับปรุง

ในการทดลองเบื้องต้นของตรรกะดิจิทัล SFQ โดยใช้การออกแบบบนชิป ข้อผิดพลาดของเกต qubit โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 9.1% ต้องขอบคุณ MCM ที่ทำให้ทีมของ Liu และ McDermott ลดค่านี้ลงเหลือ 1.2% ซึ่งเกือบจะเป็นการปรับปรุงครั้งใหญ่

Qubit ที่ฉันชอบ: การจำลองควอนตัมและการคำนวณด้วยคิวบิตตัวนำยิ่งยวด

ตามวัตถุประสงค์ในอนาคต นักวิจัยวิสคอนซินและเพื่อนร่วมงานของพวกเขาที่มหาวิทยาลัยซีราคิวส์ สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ มหาวิทยาลัยโคโลราโด และห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ มีเป้าหมายที่จะลดแหล่งที่มาของพิษจากอนุภาคกึ่งอนุภาค ด้วยการทดลองกับการออกแบบที่เหมาะสมอื่นๆ และเพิ่มประสิทธิภาพรถไฟพัลส์ SFQ ให้เหมาะสมต่อไป ทีมงานกล่าวว่าอาจเป็นไปได้ที่จะลดข้อผิดพลาดของเกตให้ต่ำเพียง 0.1% หรือแม้กระทั่ง 0.01% ทำให้ SFQ เป็นเส้นทางที่มีแนวโน้มไปสู่การบรรลุความสามารถในการขยายขนาดในคิวบิตตัวนำยิ่งยวดและการปลดล็อค พลังการประมวลผลเอ็กซ์โพเนนเชียลของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนทานต่อข้อผิดพลาด

การวิจัยถูกตีพิมพ์ลงที่ PRX ควอนตัม.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/new-chip-architecture-offers-hope-for-scaling-up-superconducting-qubit-arrays/