Kiến trúc chip mới mang lại hy vọng mở rộng mảng qubit siêu dẫn

Kiến trúc chip mới mang lại hy vọng mở rộng mảng qubit siêu dẫn

Dấu thời gian: Ngày 17 tháng 2023 năm 4 28:XNUMX sáng

Hình ảnh hai con chip xếp chồng lên nhau
Mô-đun đa chip: Một bức ảnh hiển thị chip qubit (viền màu đỏ) xếp chồng lên chip lượng tử thông lượng đơn (SFQ) (viền màu xanh lam). (Được phép: Được chuyển thể từ “Điều khiển kỹ thuật số dựa trên lượng tử thông lượng đơn đối với các qubit siêu dẫn trong mô-đun đa chip”, Lượng tử PRX 4, 030310 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.030310)

Các nhà khoa học ở Mỹ vừa giới thiệu một kiến ​​trúc chip lượng tử mới khéo léo giúp giảm đáng kể nhiễu loạn gây ra bởi các tín hiệu được sử dụng để điều khiển mạch bit lượng tử (qubit) siêu dẫn. Do Xuyên Hồng Lưu và Robert McDermott của Đại học Wisconsin, nhóm cho thấy mô-đun đa chip mới (MCM) giảm lỗi cổng gần gấp 10 lần so với các thiết kế trước đó sử dụng cùng hệ thống điều khiển, khiến nó trở thành đối thủ cạnh tranh khả thi với các công nghệ tiêu chuẩn.

Trong số nhiều hệ thống vật lý mà các nhà nghiên cứu đang khám phá như những “khối xây dựng” tiềm năng cho một máy tính lượng tử có thể mở rộng, qubit siêu dẫn nổi bật nhờ thời gian kết hợp cao (thước đo thời gian tồn tại ở trạng thái lượng tử) và độ trung thực (thước đo độ chính xác của nó). hoạt động của nó không có lỗi như thế nào). Nhưng dù điện toán lượng tử siêu dẫn có mạnh đến đâu thì việc mở khóa toàn bộ tiềm năng của nó sẽ cần hơn 1 triệu qubit vật lý. Điều này đặt ra một thách thức, vì hệ thống qubit siêu dẫn đòi hỏi phải có bộ làm mát đông lạnh cồng kềnh và bộ máy điều khiển vi sóng phức tạp để hoạt động.

Một cách để đơn giản hóa bộ máy điều khiển này là điều khiển các qubit bằng cách sử dụng đơn vị từ trường nhỏ nhất – lượng tử thông lượng – thay vì vi sóng. Như đã biết, các cổng lượng tử dựa trên công nghệ logic kỹ thuật số lượng tử thông lượng đơn (SFQ) này sử dụng một chuỗi xung thông lượng lượng tử hóa với thời gian giữa các xung được hiệu chỉnh chính xác theo chu kỳ dao động của qubit. Phương pháp này tiết kiệm năng lượng, nhỏ gọn và có khả năng hoạt động tốc độ cao, khiến nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng để tích hợp vào các mạch đa qubit.

Một vấn đề độc hại

Vấn đề là mạch SFQ phải được đặt gần các qubit, điều này chắc chắn sẽ dẫn đến hiện tượng gọi là ngộ độc quasiparticle trong quá trình tạo xung. Sự nhiễm độc quasiparticle này gây ra sự thư giãn, kích thích và gián đoạn không mong muốn trong mạch siêu dẫn, làm giảm tuổi thọ của qubit.

Để vượt qua thách thức này, Liu và các đồng nghiệp đã áp dụng kiến ​​trúc MCM. Trong thiết lập này, trình điều khiển SFQ và các mạch qubit nằm trên các chip riêng biệt. Những con chip này được xếp chồng lên nhau với khoảng cách 6.4 micromet ở giữa và được liên kết với nhau bằng cách sử dụng các kết nối được gọi là In-bumps. Sự tách biệt vật lý giữa hai con chip mang lại một số lợi thế. Nó chủ yếu hoạt động như một rào cản, ngăn chặn các quasiparticles tiêu tan trực tiếp từ trình điều khiển SFQ sang qubit. Ngoài ra, nó còn ngăn chặn một nguồn gây nhiễu khác – các phonon, là các dao động nguyên tử hoặc phân tử – truyền qua vật liệu, vì các liên kết In-bump tạo ra một loại lực cản đối với sự truyền lan của chúng. Nhờ lực cản này, những rung động này được phân tán một cách hiệu quả và ngăn chặn việc tiếp cận chip qubit.

Thứ tự tăng cường độ lớn

Trong các thử nghiệm ban đầu về logic kỹ thuật số SFQ sử dụng thiết kế trên chip, lỗi cổng qubit trung bình là 9.1%. Nhờ có MCM, nhóm của Liu và McDermott đã hạ tỷ lệ này xuống còn 1.2% - gần như một mức độ cải thiện đáng kể.

Với mục tiêu trong tương lai, các nhà nghiên cứu Wisconsin và các đồng nghiệp của họ tại Đại học Syracuse, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, Đại học Colorado và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore đặt mục tiêu giảm hơn nữa các nguồn gây ngộ độc quasiparticle. Bằng cách thử nghiệm các thiết kế phù hợp khác và tối ưu hóa hơn nữa chuỗi xung SFQ, nhóm nghiên cứu cho biết có thể giảm sai số cổng xuống mức thấp tới 0.1% hoặc thậm chí 0.01%, biến SFQ trở thành một con đường đầy hứa hẹn hướng tới việc đạt được khả năng mở rộng trong qubit siêu dẫn và mở khóa sức mạnh tính toán theo cấp số nhân của máy tính lượng tử có khả năng chịu lỗi.

Nghiên cứu được xuất bản trong Lượng tử PRX.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý