DünyaİşTeknolojiYaşam Tarzı

Akıllı Kablolama Mimarisi Daha Büyük ve Daha İyi Kuantum Bilgisayarları Sağlar

Ölçeklenebilir Kuantum Bilgisayar için Yeni Bir Yol Kablolama

Geçen yıl, Google dünyanın en hızlı süper bilgisayar önemli ölçüde daha hızlı belirli bir hesaplama gerçekleştirebilir bir 53-qubit kuantum bilgisayar üretti. Günümüzün en büyük kuantum bilgisayarlarının çoğu gibi, bu sistem de onlarca qubite sahiptir— kuantum bitleri, geleneksel bilgisayarlardaki bilgileri kodlar.

Daha büyük ve daha kullanışlı sistemler yapmak için, günümüzün prototiplerinin çoğu istikrar ve ölçeklenebilirlik zorluklarının üstesinden gelmek zorunda kalacaktır. İkincisi sinyal ve kablolama yoğunluğunu artırmak gerektirecektir, hangi sistemin istikrarı düşürmeden yapmak zordur. Ben yeni bir devre kablolama şeması RIKEN Superconducting Kuantum Elektroniği Araştırma Ekibi tarafından son üç yıl içinde geliştirilen inanıyorum, diğer enstitüler ile işbirliği içinde, önümüzdeki on yıl içinde 100 veya daha fazla qubits kadar ölçekleme için kapıyı açar. İşte, nasıl.

Integrated Superconducting Qubits Schematic

Entegre süperiletken qubits ve ambalaj bu şematik görüntü, bir silikon çip (kırmızı) üstüne serilir halkaları ile yeşil nokta olarak qubits gösterir. Talaştaki bir dizi delik üst ve alt yüzeyleri elektriksel olarak birbirine bağlar. Üstteki mavi teller, qubitlerin okunması için devre elemanlarıdır. Koaksiyel kablolama (altın kaplama yaylı pimleri ile) çipin arka tarafına bağlıdır ve bu kontrol ve qubits okuyun. Kredi: Yutaka Tabuchi

Birinci zorluk: Ölçeklenebilirlik

Kuantum bilgisayarları, kuantum mekaniğinin ilkelerine dayalı hassas ve karmaşık etkileşimler kullanarak bilgiyi işlerler. Bunu daha fazla açıklamak için qubits anlamak gerekir. Kuantum bilgisayarı, geleneksel bilgisayarlarda kullanılan ikili bitlere benzeyen tek tek qubitlerden üretilmiştir. Ama sıfır ya da bir ikili durum yerine, bir qubit çok kırılgan bir kuantum durumunu korumak gerekir. Qubits sadece sıfır ya da bir olmak yerine, süperpozisyon adı verilen bir durumda da olabilir ve burada aynı anda hem sıfır hem de bir gibi bir durumda dırlar. Bu, qubitlere dayalı kuantum bilgisayarlarının her olası mantıksal durum, sıfır veya bir için verileri paralel olarak işlemesini sağlar ve böylece belirli türde sorunlar için bitlere dayalı geleneksel bilgisayarlara göre daha verimli ve dolayısıyla daha hızlı hesaplamalar gerçekleştirebilirler.

Ancak, geleneksel bir bit daha bir qubit oluşturmak için çok daha zordur ve bir devrenin kuantum-mekanik davranış üzerinde tam kontrol gereklidir. Bilim adamları bazı güvenilirlik ile bunu yapmak için birkaç yol ile geldi. RIKEN’de, Josephson kavşağı adı verilen bir elemana sahip süper iletken bir devre yararlı bir kuantum-mekanik etki yaratmak için kullanılır. Bu şekilde, qubits artık güvenilir ve tekrar tekrar nanofabrication teknikleri yaygın yarı iletken sektöründe kullanılan üretilebilir.

Ölçeklenebilirlik meydan okuma her qubit sonra kablolama ve en az crosstalk ile kontroller ve okumalar üretmek bağlantıları ihtiyacı olduğu gerçeğinden doğar. Biz qubits küçük iki-by-iki veya dört-by-dört dizigeçmiş hareket ettikçe, biz ne kadar yoğun ilişkili kablolama paketlenmiş olabilir fark ettik, ve biz daha iyi sistemler ve üretim yöntemleri oluşturmak zorunda kaldı bizim teller, kelimenin tam anlamıyla çapraz önlemek için.

RIKEN’de, kablo pedlerini bir kuantum yongasının kenarlarına getiren diğer gruplar tarafından kullanılan ayrı bir ‘flip chip’ arabirimi yerine, her qubit’in bağlantılarının bir çipin arkasından dikey olarak yapıldığı kendi kablolama düzenimizi kullanarak dörte dört qubit dizisi inşa ettik. Bu süper iletken vias yoğun bir dizi ile bazı sofistike imalat içerir (elektrik bağlantıları) bir silikon çip aracılığıyla, ama bize çok daha büyük cihazlara kadar ölçeklendirmek için izin vermelidir. Ekibimiz önümüzdeki üç yıl içinde sahip olmayı umduğumuz 64 qubit’lik bir cihaz için çalışıyor. Bunu, ulusal destekli bir araştırma programının bir parçası olarak beş yıl içinde 100 qubit’lik bir cihaz takip edecek. Bu platform sonuçta 1.000 qubits kadar tek bir çip entegre edilmesine izin vermelidir.

İki Meydan Okuma: İstikrar

Kuantum bilgisayarları için bir diğer büyük sorun, sıcaklık gibi dış güçlerden gelen dalgalanmalara veya gürültüye karşı qubitlerin içsel zayıflığıyla nasıl başa çıkılabilmektir. Bir qubit’in çalışması için kuantum süperpozisyonu veya ‘kuantum tutarlılığı’ durumunda tutulması gerekir. Süper iletken qubitlerin ilk günlerinde, bu durumu nanosaniyeler kadar sürdürebilirdik. Kuantum bilgisayarlarını kriyojenik sıcaklıklara soğutarak ve diğer çevresel kontroller oluşturarak, tutarlılığı 100 mikrosaniyeye kadar koruyabiliriz. Birkaç yüz mikrosaniye bize tutarlılık kaybolmadan önce, ortalama olarak, birkaç bin bilgi işleme işlemleri gerçekleştirmek için izin verecek.

Teoride, istikrarsızlıkla başa çıkmanın bir yolu kuantum hata düzeltmesini kullanmaktır, burada tek bir ‘mantıksal qubit’i kodlamak için birkaç fiziksel qubit’i kullanırız ve mantıksal qubit’i korumak için hataları tanılayıp düzeltebilen bir hata düzeltme protokolü uygularız. Ama bunun farkına varmak birçok nedenden dolayı hala çok uzak, en azından ölçeklenebilirlik sorunudur.

Kuantum devreleri

1990’lardan beri, kuantum hesaplama büyük bir şey haline gelmeden önce. Başladığımda, ekibimin elektrik devreleri içindeki kuantum süperpozisyon durumlarını oluşturup ölçemeyeceğiyle ilgileniyordum. O zamanlar, bir bütün olarak elektrik devrelerinin kuantum mekanik olarak mı gibi bir şekilde izleyebileceği hiç de belli değildi. Bir devrede kararlı bir qubit gerçekleştirmek ve devrede açma ve kapama durumları oluşturmak için, devrenin aynı zamanda bir süperpozisyon durumunu destekleyebilecek kapasitede olması gerekir.

Sonunda süper iletken bir devre kullanma fikrini ortaya attın. Süper iletken durum tüm elektrikdirenci ve kayıpları ücretsizdir, ve bu yüzden küçük kuantum-mekanik etkilere yanıt vermek için aerodinamik. Bu devreyi test etmek için, alüminyumdan yapılmış bir mikro ölçekli süper iletken ada kullandık, josephson kavşağı ile daha büyük bir süper iletken zemin elektrotuna bağlanan– nanometre kalınlığında bir yalıtım bariyeri ile ayrılmış bir kavşak– ve kavşak boyunca tünel açan süper iletken elektron çiftlerini tuzağa düşürdük. Alüminyum adanın küçüklüğü nedeniyle, negatif yüklü çiftleri arasında Coulomb abluka olarak bilinen bir etkisi nedeniyle en fazla bir çift barındırabilir. Adada sıfır veya bir fazla çifti durumları bir qubit durumu olarak kullanılabilir. Kuantum-mekanik tünel qubit tutarlılığını korur ve bize tamamen mikrodalga darbeleri ile kontrol devletlerin bir süperpozisyon oluşturmak için izin verir.

Hibrit sistemler

Çok hassas doğaları nedeniyle, kuantum bilgisayarlarının yakın gelecekte evlerde olması pek olası değildir. Ancak, araştırma odaklı kuantum bilgisayarların büyük faydalarını fark ederek, Google ve IBM gibi endüstriyel devleri, yanı sıra birçok start-up şirketleri ve dünya çapında akademik enstitüler, giderek araştırma yatırım yapıyor.

Tam hata düzeltme ile ticari bir kuantum-bilgisayar platformu muhtemelen hala bir on yıldan fazla uzakta, ama state-of-the-art teknik gelişmeler zaten yeni bilim ve uygulamalar olasılığı hakkında getiriyor. Daha küçük ölçekli kuantum devreleri zaten laboratuvarda yararlı görevleri yerine getirir.

Örneğin, süper iletken kuantum devresi platformumuzu diğer kuantum-mekanik sistemlerle birlikte kullanıyoruz. Bu melez kuantum sistemi bize kolektif uyarma içinde tek bir kuantum reaksiyonu ölçmek için izin verir-bir mıknatıs elektron spin pinineleri, bir substrat kristal kafes titreşimleri, ya da bir devre elektromanyetik alanlar-benzeri görülmemiş hassasiyet ile. Bu ölçümler kuantum fiziği anlayışımızı ilerletmeli, ve onunla kuantum hesaplaması. Sistemimiz aynı zamanda mikrodalga frekanslarında tek bir fotonu ölçecek kadar hassastır, enerjisi görünür ışıkfotonunkinden yaklaşık beş derece daha düşüktür, onu emmeden veya yok etmeden. Umut bu kuantum ağları uzak qubit modülleri bağlayan için bir yapı taşı olarak hizmet edecek, diğer şeyler arasında.

Kuantum internet

Süper iletken bir kuantum bilgisayarını optik kuantum iletişim ağına karşı karşıya getirmek, hibrid sistemimiz için gelecekteki bir başka sorundur. Bu bugünün internet anımsatan optik kablolama ile bağlı bir kuantum internet içeren bir gelecek beklentisiyle geliştirilecektir. Ancak, bir telekomünikasyon dalga boyunda kızılötesi ışık bile tek bir foton doğrudan kuantum bilgi rahatsız etmeden bir süper iletken qubit vuramaz, bu yüzden dikkatli tasarım bir zorunluluktur. Şu anda kuantum sinyallerini süper iletken bir qubitten kızılötesi fotona aktaran melez kuantum sistemlerini araştırıyoruz, ve tam tersi, diğer kuantum sistemleri aracılığıyla, örneğin küçük bir akustik osilatör içeren.

Birçok karmaşık sorunların aşılması gerekmesine rağmen, bilim adamları ufukta kuantum bilgisayarları tarafından geliştirilmiş bir gelecek görebilirsiniz. Aslında, kuantum bilimi zaten her gün bizim elimizde. Transistörler ve lazer diyotlar, tamamen kuantum mekaniğinin anlaşılmasına dayanan yarı iletkenlerde elektronların özelliklerini doğru bir şekilde anlamadan asla icat edilemezdi. Yani akıllı telefonlar ve internet sayesinde, biz zaten tamamen kuantum mekaniği ne kadar güveniyor, ve biz sadece gelecekte daha çok olacak.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu