Квантовые компьютеры, вычислительные системы, обрабатывающие информацию с использованием квантово-механических эффектов, могут превзойти классические компьютеры в некоторых вычислительных задачах. Эти компьютеры полагаются на кубиты, основные единицы квантовой информации, которые могут существовать в нескольких состояниях (0, 1 или в обоих одновременно) из-за квантовых эффектов, известных как суперпозиция и запутанность.
Многие из квантовых компьютеров, разработанных в последние годы, основаны на обычных сверхпроводниках — материалах, электрическое сопротивление которых равно нулю при экстремально низких температурах. Для надежной работы и проявления сверхпроводимости схемы на основе этих материалов необходимо охладить до температуры милликельвина.
В квантовых компьютерах каждому кубиту обычно требуется собственная линия управления. Это означает, что инженерам необходимо ввести несколько проводов, передающих электрические импульсы (то есть сигнальных линий), причем количество необходимых проводов увеличивается с количеством кубитов. По мере того, как квантовые компьютеры становятся больше, это может стать проблематичным, поскольку процессоры становится сложнее создавать и надежно эксплуатировать.
Исследователи из Seeqc Inc., компании, разрабатывающей цифровые квантовые вычислительные системы, недавно представили новый квантовый процессор, который может надежно работать при температурах в милликельвинах, несмотря на то, что требует значительно меньше проводов. Этот процессор, представленный в статье, опубликованной вПриродная электроника, имеет уникальную конструкцию, в которой кубиты и их управляющая электроника интегрированы в два отдельных, но связанных между собой сверхпроводящих чипа.
«Разработка сверхпроводящих платформ квантовых вычислений сталкивается со значительными проблемами масштабирования, поскольку для управления каждым кубитом требуются отдельные сигнальные линии», — пишут Калеб Хорда, Джейкоб Бернхардт и их коллеги в своей статье. «Эти накладные расходы на проводку являются результатом низкого уровня интеграции между управляющей электроникой при комнатной температуре и кубитами, работающими при температуре милликельвина. Многообещающей альтернативой является использование криогенной сверхпроводящей цифровой управляющей электроники, которая сосуществует с кубитами».
Решение проблемы с проводкой
Чтобы преодолеть проблемы с проводкой, которые до сих пор препятствовали разработке более крупных-квантовых процессоров, эта исследовательская группа разработала новый много-чиповый модуль. Этот модуль состоит из двух отдельных чипов, один из которых содержит кубиты, а другой — управляющую электронику.
Исследователи специально использовали электронику с квантовым контролем одиночного-потока, сверхпроводящие цифровые схемы, которые генерируют очень короткие и точные электрические импульсы с помощью крошечных квантованных магнитных сигналов. Чип, на котором размещены эти схемы, был подключен к чипу, содержащему сверхпроводящие схемы, с использованием метода, известного как соединение перевернутых-чипов.
Этот подход предполагает размещение чипов лицом к лицу--лицом, а затем соединение их посредством микроскопических металлических выступов. Весь многочиповый модуль, разработанный Джордой, Бернхардтом и их коллегами, работает внутри криогенной установки, поддерживающей температуру в милликельвинах.
«Мы представляем активный квантовый процессор, в котором кубиты и электроника с одним-квантовым контролем потока интегрированы в один много-чиповый модуль посредством флип-связывания кристаллов», — пишут авторы. «Наша система использует цифровое демультиплексирование для распределения управляющих импульсов по нескольким кубитам, тем самым нарушая линейное масштабирование линий управления по количеству кубитов. Благодаря этому подходу мы демонстрируем точность одиночного-кубита от 99% до 99,9%».
Новый подход к апскейлингу квантовых процессоров
Квантовый процессор, разработанный этой исследовательской группой, имеет заметные преимущества перед многими другими сверхпроводящими квантовыми процессорами, представленными в прошлом. В первоначальных тестах было обнаружено, что он работает очень хорошо, обеспечивая превосходный контроль над кубитами без необходимости прокладки обширных проводов.
В будущем новая конструкция может быть расширена для создания более крупных квантовых процессоров, которые будут содержать множество дополнительных кубитов и, таким образом, потенциально смогут решать более сложные вычислительные задачи. Кроме того, это может вдохновить на внедрение других подобных многочиповых квантовых модулей, которые работают надежно и которые легче масштабировать.
