رایانههای کوانتومی، سیستمهای محاسباتی که اطلاعات را با استفاده از اثرات مکانیکی کوانتومی پردازش میکنند، میتوانند در برخی از وظایف محاسباتی از رایانههای کلاسیک بهتر عمل کنند. این کامپیوترها به کیوبیت ها، واحدهای اساسی اطلاعات کوانتومی، که می توانند در چندین حالت (0، 1 یا هر دو به طور همزمان) وجود داشته باشند، به دلیل اثرات کوانتومی به نام برهم نهی و درهم تنیدگی، متکی هستند.
بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی توسعه یافته در سالهای اخیر مبتنی بر ابررساناهای معمولی هستند، موادی که مقاومت الکتریکی صفر در دماهای بسیار پایین از خود نشان میدهند. برای عملکرد مطمئن و نشان دادن ابررسانایی، مدارهای مبتنی بر این مواد باید تا دمای میلیکلوین خنک شوند.
در کامپیوترهای کوانتومی، هر کیوبیت به طور معمول به خط کنترل خود نیاز دارد. این بدان معناست که مهندسان باید چندین سیم را معرفی کنند که پالس های الکتریکی (یعنی خطوط سیگنال) را حمل می کنند و تعداد سیم های لازم با تعداد کیوبیت ها افزایش می یابد. همانطور که کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر می شوند، این می تواند مشکل ساز باشد، زیرا ساخت و کارکرد قابل اعتماد پردازنده ها سخت تر می شود.
محققان Seqc Inc.، شرکتی که سیستمهای محاسباتی کوانتومی دیجیتال را توسعه میدهد، اخیراً یک پردازنده کوانتومی جدید معرفی کردهاند که میتواند با وجود نیاز به سیمکشی بسیار کمتر، با اطمینان و در دمای میلیکلوین کار کند. این پردازنده، معرفی شده در مقاله منتشر شده درالکترونیک طبیعت، طراحی منحصر به فردی دارد که در آن کیوبیت ها و الکترونیک کنترل آنها بر روی دو تراشه ابررسانا مجزا اما به هم متصل شده اند.
Caleb Jorda، Jacob Bernhardt و همکارانشان در مقاله خود نوشتند: «توسعه پلتفرمهای محاسباتی کوانتومی ابررسانا با چالشهای مقیاسپذیری قابلتوجهی مواجه است، زیرا خطوط سیگنال جداگانه برای کنترل هر کیوبیت مورد نیاز است. "این سربار سیمکشی نتیجه سطح پایین ادغام بین الکترونیک کنترل در دمای اتاق و کیوبیتهایی است که در دمای میلیکلوین کار میکنند. یک جایگزین امیدوارکننده استفاده از الکترونیک کنترل دیجیتال ابررسانا برودتی است که با کیوبیتها همزیستی دارند."
غلبه بر چالش سیم کشی
این تیم تحقیقاتی برای غلبه بر مشکلات سیمکشی که تاکنون مانع توسعه پردازندههای کوانتومی در مقیاس بزرگتر شدهاند، یک ماژول چند تراشه- جدید طراحی کردند. این ماژول از دو تراشه مجزا تشکیل شده است که یکی کیوبیت میزبان و دیگری الکترونیک کنترل است.
محققان به طور خاص از مدارهای دیجیتال کنترل کوانتومی تک شار-و مدارهای دیجیتال ابررسانا استفاده کردند که پالس های الکتریکی بسیار کوتاه و دقیقی را از طریق سیگنال های مغناطیسی کوانتیزه کوچک تولید می کنند. تراشه میزبان این مدارها با استفاده از رویکردی به نام پیوند تراشهای{2}}به تراشهای که حاوی مدارهای ابررسانا است متصل شد.
این رویکرد مستلزم قرار دادن تراشه ها رو به رو--و سپس اتصال آنها از طریق برآمدگی های فلزی میکروسکوپی است. کل ماژول چند تراشهای که توسط Jorda، Bernhardt و همکارانشان توسعه داده شده است، در داخل یک راهاندازی برودتی کار میکند که آن را در دمای میلیکلوین حفظ میکند.
نویسندگان نوشتند: «ما یک واحد پردازشگر کوانتومی فعال را ارائه میکنیم که در آن کیوبیتها و الکترونیک کنترل کوانتومی تک شار-در یک ماژول چند-تراشهای واحد از طریق پیوند{2}تراشهای ادغام میشوند.» "سیستم ما از مالتیپلکس دیجیتالی برای توزیع پالس های کنترلی به چندین کیوبیت استفاده می کند، بنابراین مقیاس خطی خطوط کنترل را به تعداد کیوبیت ها می شکند. با این رویکرد، ما وفاداری تک-کیوبیتی بالای 99% و تا 99.9% را نشان می دهیم."
رویکردی جدید برای پردازشگرهای کوانتومی سطح بالا
پردازنده کوانتومی طراحی شده توسط این تیم تحقیقاتی نسبت به بسیاری دیگر از پردازنده های کوانتومی ابررسانا که در گذشته معرفی شده بودند، مزایای قابل توجهی دارد. در آزمایشات اولیه، مشخص شد که عملکرد قابل توجهی دارد و کنترل عالی بر کیوبیت ها را بدون نیاز به سیم کشی گسترده حفظ می کند.
در آینده، طراحی جدید میتواند برای ایجاد پردازندههای کوانتومی بزرگتر که حاوی کیوبیتهای اضافی هستند، بزرگتر شود و بنابراین به طور بالقوه میتواند با مشکلات محاسباتی پیچیدهتری مقابله کند. علاوه بر این، میتواند الهامبخش معرفی سایر ماژولهای کوانتومی چند{1}}چیپ مشابهی باشد که بهطور قابلاطمینانی کار میکنند و ارتقاء سطح آن آسانتر است.
