Kvantna računala, računalni sustavi koji obrađuju informacije pomoću kvantnih mehaničkih učinaka, mogli bi nadmašiti klasična računala u nekim računalnim zadacima. Ova se računala oslanjaju na qubitove, osnovne jedinice kvantnih informacija, koje mogu postojati u višestrukim stanjima (0, 1 ili oba istovremeno), zbog kvantnih učinaka poznatih kao superpozicija i isprepletenost.
Mnoga kvantna računala razvijena posljednjih godina temelje se na konvencionalnim supravodičima, materijalima koji pokazuju električni otpor jednak nuli na ekstremno niskim temperaturama. Kako bi radili pouzdano i pokazali supravodljivost, krugovi koji se temelje na ovim materijalima moraju se ohladiti na temperaturu milikelvina.
U kvantnim računalima, svaki qubit obično zahtijeva vlastitu kontrolnu liniju. To znači da inženjeri moraju uvesti nekoliko žica koje prenose električne impulse (tj. signalne linije), a broj potrebnih žica raste s brojem qubita. Kako kvantna računala rastu, to može biti problematično jer procesore postaje sve teže izgraditi i pouzdanije raditi.
Istraživači Seeqc Inc., tvrtke koja razvija digitalne kvantne računalne sustave, nedavno su predstavili novi kvantni procesor koji bi mogao raditi pouzdano i na temperaturama u milikelvinima, unatoč tome što zahtijeva znatno manje ožičenja. Ovaj procesor, predstavljen u radu objavljenom uElektronika prirode, ima jedinstven dizajn u kojem su qubiti i njihova upravljačka elektronika integrirani na dva odvojena, ali povezana supravodljiva čipa.
"Razvoj supravodljivih kvantnih računalnih platformi suočava se sa značajnim izazovima skaliranja jer su potrebne pojedinačne signalne linije za kontrolu svakog kubita", napisali su Caleb Jorda, Jacob Bernhardt i njihovi kolege u svom radu. "Ovo opterećenje ožičenjem rezultat je niske razine integracije između upravljačke elektronike na sobnoj temperaturi i kubita koji rade na temperaturama milikelvina. Alternativa koja obećava je korištenje kriogene supravodljive digitalne upravljačke elektronike koja koegzistira s kubitima."
Prevladavanje izazova ožičenja
Kako bi prevladao probleme s ožičenjem koji su do sada kočili razvoj kvantnih procesora većeg-razmjera, ovaj istraživački tim dizajnirao je novi modul s više-čipova. Ovaj modul se sastoji od dva odvojena čipa, jedan hosting qubits i drugi upravljačke elektronike.
Istraživači su posebno koristili kvantnu upravljačku elektroniku s jednim-fluksom, supravodljive digitalne sklopove koji generiraju vrlo kratke i precizne električne impulse putem sićušnih kvantiziranih magnetskih signala. Čip u kojem se nalaze ti krugovi bio je spojen na čip koji sadrži supravodljive krugove pomoću pristupa poznatog kao flip-chip bonding.
Ovaj pristup podrazumijeva postavljanje čipova licem-na-lice i zatim njihovo povezivanje pomoću mikroskopskih metalnih izbočina. Cijeli modul s više-čipova koji su razvili Jorda, Bernhardt i njihovi kolege radi unutar kriogenog sustava koji ga održava na temperaturama milikelvina.
"Predstavljamo aktivnu kvantnu procesorsku jedinicu u kojoj su qubiti i jedno-flux kvantna kontrolna elektronika integrirani u jedan više-čip modul putem flip-vezivanja čipova", napisali su autori. "Naš sustav koristi digitalno demultipleksiranje za distribuciju kontrolnih impulsa na nekoliko kubita, čime se prekida linearno skaliranje kontrolnih linija na broj kubita. Ovim pristupom pokazujemo vjernost pojedinačnog-qubita iznad 99% i do 99,9%."
Novi pristup vrhunskim kvantnim procesorima
Kvantni procesor koji je dizajnirao ovaj istraživački tim ima značajne prednosti u odnosu na mnoge druge supravodljive kvantne procesore predstavljene u prošlosti. U početnim testovima, utvrđeno je da radi izvanredno dobro, održavajući izvrsnu kontrolu nad qubitima bez potrebe za opsežnim ožičenjem.
U budućnosti bi se novi dizajn mogao povećati kako bi se stvorili veći kvantni procesori koji sadrže mnogo dodatnih kubita i stoga se potencijalno mogu uhvatiti u koštac sa složenijim računalnim problemima. Osim toga, mogao bi potaknuti uvođenje drugih sličnih kvantnih modula s više-čipova koji rade pouzdano i lakše ih je unaprijediti.
