تتغلب شريحة التبريد على العوائق التي تواجه أجهزة الكمبيوتر الكمومية واسعة النطاق

لقد قامت شركة QuTech بحل مشكلة رئيسية على الطريق نحو حاسوب كمي فعال واسع النطاق. قامت شركة QuTech، وهي عبارة عن تعاون بين TU Delft وTNO، وIntel، بتصميم وتصنيع دائرة متكاملة يمكنها التحكم في الكيوبتات في درجات حرارة منخفضة للغاية. وهذا يمهد الطريق للتكامل الحاسم بين الكيوبتات وإلكترونيات التحكم الخاصة بها في نفس الشريحة. وقد قدم العلماء أبحاثهم خلال مؤتمر ISSCC في سان فرانسيسكو.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية

"هذه النتيجة تقربنا من كمبيوتر كمي واسع النطاق يمكنه حل المشكلات التي يصعب حلها حتى بواسطة أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة. حلول هذه المشاكل يمكن أن يكون لها تأثير قوي على الحياة اليوميةقال قائد الفريق فابيو سيباستيانو من شركة QuTech وكلية الهندسة الكهربائية والرياضيات وعلوم الكمبيوتر، "على سبيل المثال في مجالات الطب والطاقة".

حرارة قصوى

قال سيباستيانو: "هناك العديد من المشكلات التي يتعين حلها قبل أن يكون لدينا حاسوب كمي فعال وواسع النطاق". "ال المعلومات الكمومية المخزنة في الكيوبتات يمكن أن تتحلل بسرعة وتصبح غير صالحة للاستخدام ما لم يتم تبريد الكيوبتات إلى درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية، أو 0 كلفن). ولهذا السبب، تعمل الكيوبتات عادةً داخل ثلاجات خاصة عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 0.01 كلفن، ويتم التحكم فيها بواسطة إلكترونيات تقليدية تعمل في درجة حرارة الغرفة.

زيادة

مطلوب سلك واحد لتوصيل كل كيوبت بالـ إلكترونيات التحكم. وفي حين أن هذا ممكن بالنسبة للعدد الصغير من الكيوبتات العاملة الآن، إلا أن هذا النهج سيصبح غير عملي بالنسبة لملايين الكيوبتات المطلوبة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية المفيدة. قال سيباستيانو: "سيكون الأمر بمثابة أخذ كاميرا بدقة 12 ميجابكسل على هاتفك المحمول ومحاولة توصيل كل مليون بكسل على حدة بدائرة إلكترونية منفصلة". "الحل الأكثر قابلية للتطبيق هو تشغيل الإلكترونيات التي تتحكم في البتات الكمومية في درجات حرارة منخفضة للغاية (مبردة)، بحيث يمكن وضعها في أقرب وقت ممكن من البتات الكمومية."

هورس ريدج

تعاونت شركة QuTech مع شركة Intel لمواجهة هذا التحدي الدقيق. والنتيجة هي هورس ريدج، وهي عبارة عن دائرة متكاملة سُميت على اسم واحدة من أبرد المناطق في ولاية أوريغون. سيباستيانو: "لقد قمنا بتصميم وتصنيع دائرة متكاملة CMOS قادرة على التحكم في ما يصل إلى 128 كيوبت، والتي يمكن أن تعمل عند 3 كلفن (-270 درجة مئوية) وبالتالي يمكن وصفها بأنها دائرة CMOS مبردة."

CMOS (أشباه الموصلات لأكسيد الفلز التكميلي) هي نفس التقنية المستخدمة في المعالجات الدقيقة القياسية. وبالتالي فإن استخدام CMOS يمكّن من تصنيع موثوق به لأشياء معقدة للغاية الدوائر تشتمل على مليارات المكونات الكهربائية، كما هو مطلوب لأجهزة الكمبيوتر الكمومية واسعة النطاق.

الدائرة المتكاملة والكيوبت

أظهر الباحثون تجريبيًا التشغيل السليم للدائرة المتكاملة والقدرة على قيادة بت كمي حقيقي. تعد الكيوبتات المغزلية من بين الكيوبتات المرشحة الواعدة للحواسيب الكمومية واسعة النطاق. سيباستيانو: "هذه هي دائرة CMOS الأكثر تعقيدًا التي تم عرضها على الإطلاق، والأولى القادرة على الدوران qubit.”

شريحة واحدة

والتحدي التالي هو سد الفجوة المتبقية في درجات الحرارة. وقال سيباستيانو: "من المتوقع أن تعمل البتات الكمومية المغزلية عند درجات حرارة أعلى قليلاً مما تم تحقيقه الآن، مثلاً أعلى من 1,5 كلفن". "تعمل دائرة Cryo-CMOS الخاصة بنا الآن بسرعة 3 K. إذا تمكنا من سد هذه المشكلة درجة حرارة "في هذه الفجوة، يمكننا دمج كل من الكيوبتات وإلكترونيات التحكم الخاصة بها في نفس الحزمة أو الشريحة، وبالتالي تحقيق نظام مضغوط للغاية."