Kvantdatorer, datorsystem som bearbetar information med hjälp av kvantmekaniska effekter, skulle kunna överträffa klassiska datorer på vissa beräkningsuppgifter. Dessa datorer förlitar sig på qubits, de grundläggande enheterna av kvantinformation, som kan existera i flera tillstånd (0, 1 eller båda samtidigt), på grund av kvanteffekter som kallas superposition och entanglement.
Många av de kvantdatorer som utvecklats på senare år är baserade på konventionella supraledare, material som uppvisar ett elektriskt motstånd på noll vid extremt låga temperaturer. För att fungera tillförlitligt och uppvisa supraledning måste kretsar baserade på dessa material kylas ner till millikelvintemperaturer.
I kvantdatorer kräver varje qubit vanligtvis sin egen kontrolllinje. Detta innebär att ingenjörer måste införa flera ledningar som bär elektriska pulser (dvs. signallinjer), och antalet nödvändiga ledningar ökar med antalet qubits. När kvantdatorer växer sig större kan detta vara problematiskt, eftersom processorer blir svårare att bygga och driva på ett tillförlitligt sätt.
Forskare vid Seeqc Inc., ett företag som utvecklar digitala kvantberäkningssystem, introducerade nyligen en ny kvantprocessor som kunde fungera tillförlitligt och vid millikelvintemperaturer, trots att den kräver betydligt mindre ledningar. Denna processor, introducerad i en tidning publicerad iNaturelektronik, har en unik design där qubits och deras styrelektronik är integrerade på två separata men anslutna supraledande chips.
"Utvecklingen av supraledande kvantberäkningsplattformar står inför avsevärda skalningsutmaningar eftersom individuella signallinjer krävs för att styra varje qubit", skrev Caleb Jorda, Jacob Bernhardt och deras kollegor i sin tidning. "Denna ledningsoverhead är ett resultat av den låga integrationsnivån mellan styrelektroniken vid rumstemperatur och qubits som arbetar vid millikelvintemperaturer. Ett lovande alternativ är att använda kryogen supraledande digital styrelektronik som samexisterar med qubits."
Att övervinna ledningsutmaningen
För att övervinna de ledningsproblem som hittills har hindrat utvecklingen av större-kvantprocessorer, designade detta forskarteam en ny multi-chipmodul. Denna modul består av två separata chips, en som är värd för qubits och den andra styrelektronik.
Forskarna använde specifikt enkel-kvantkontrollelektronik, supraledande digitala kretsar som genererar mycket korta och exakta elektriska pulser via små kvantiserade magnetiska signaler. Chipet som var värd för dessa kretsar var anslutet till chipet som innehåller supraledande kretsar med ett tillvägagångssätt som kallas flip-chip bonding.
Detta tillvägagångssätt innebär att spån placeras -mot-sidan och sedan länkas dem via mikroskopiska metallbulor. Hela multi-chipmodulen som utvecklats av Jorda, Bernhardt och deras kollegor fungerar i en kryogen uppsättning som håller den vid millikelvintemperaturer.
"Vi presenterar en aktiv kvantprocessorenhet där qubits och enkel-flux kvantkontrollelektronik integreras i en enda multi-chipmodul via flip-chipbonding", skrev författarna. "Vårt system använder digital demultiplexering för att distribuera kontrollpulser till flera qubits, och på så sätt bryter den linjära skalningen av kontrolllinjer till antalet qubits. Med detta tillvägagångssätt demonstrerar vi enkla-qubit-troligheter över 99 % och upp till 99,9 %."
Ett nytt tillvägagångssätt för exklusiva kvantprocessorer
Kvantprocessorn designad av detta forskarteam har anmärkningsvärda fördelar jämfört med många andra supraledande kvantprocessorer som introducerats tidigare. I de första testerna visade det sig att den presterade anmärkningsvärt bra och bibehöll utmärkt kontroll över qubits utan behov av omfattande ledningar.
I framtiden kan den nya designen skalas upp för att skapa större kvantprocessorer som innehåller många ytterligare qubits och därmed potentiellt kan hantera mer komplexa beräkningsproblem. Dessutom kan det inspirera till introduktionen av andra liknande kvantmoduler med flera-chip som fungerar tillförlitligt och är lättare att uppskala.
