Cryo-chip เอาชนะอุปสรรคของคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่

QuTech ได้แก้ไขปัญหาสำคัญระหว่างการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่ใช้งานได้ QuTech ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง TU Delft และ TNO และ Intel ได้ออกแบบและสร้างวงจรรวมที่สามารถควบคุมคิวบิตที่อุณหภูมิต่ำมาก นี่เป็นการปูทางไปสู่การบูรณาการคิวบิตและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่สำคัญไว้ในชิปตัวเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ได้นำเสนองานวิจัยของพวกเขาในระหว่างการประชุม ISSCC ในซานฟรานซิสโก

คอมพิวเตอร์ควอนตัม

“ผลลัพธ์นี้ทำให้เราเข้าใกล้คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่มากขึ้น ซึ่งสามารถแก้ไขปัญหาที่แม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดก็จัดการได้ยาก แนวทางแก้ไขปัญหาเหล่านั้นสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อ ชีวิตประจำวันเช่นในด้านการแพทย์และพลังงาน” หัวหน้าทีม Fabio Sebastiano จาก QuTech และคณะวิศวกรรมไฟฟ้า คณิตศาสตร์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์ กล่าว

อุณหภูมิสูงสุด

“มีปัญหามากมายที่ต้องแก้ไขก่อนที่เราจะมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ที่ใช้งานได้” เซบาสเตียโนกล่าว “การ ข้อมูลควอนตัม ที่เก็บไว้ในคิวบิตสามารถลดลงอย่างรวดเร็วและใช้งานไม่ได้ เว้นแต่คิวบิตจะถูกทำให้เย็นลงจนมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ (-273 องศาเซลเซียส หรือ 0 เคลวิน) ด้วยเหตุนี้ คิวบิตจึงทำงานภายในตู้เย็นแบบพิเศษที่อุณหภูมิต่ำเพียง 0.01 เคลวิน ซึ่งควบคุมโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปที่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง”

ขยายขนาด

ต้องใช้สายหนึ่งเส้นในการเชื่อมต่อแต่ละคิวบิตเข้ากับ ควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์. แม้ว่าสิ่งนี้จะเป็นไปได้สำหรับคิวบิตจำนวนน้อยที่ดำเนินการอยู่ในขณะนี้ แต่แนวทางนี้จะกลายเป็นวิธีปฏิบัติไม่ได้สำหรับคิวบิตหลายล้านคิวบิตที่จำเป็นในคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประโยชน์ “มันจะเทียบเท่ากับการนำกล้อง 12 ล้านพิกเซลบนโทรศัพท์มือถือของคุณ และพยายามเชื่อมต่อแต่ละล้านพิกเซลแยกกันเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่แยกจากกัน” เซบาสเตียโนกล่าว “วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้มากกว่าคือใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมคิวบิตที่อุณหภูมิต่ำมาก (ความเย็นจัด) เพื่อให้สามารถวางไว้ใกล้กับคิวบิตมากที่สุด”

สันม้า

QuTech ร่วมมือกับ Intel เพื่อจัดการกับความท้าทายที่ชัดเจนนี้ ผลลัพธ์ที่ได้เรียกว่า Horse Ridge ซึ่งเป็นวงจรรวมที่ตั้งชื่อตามจุดที่หนาวที่สุดแห่งหนึ่งในรัฐโอเรกอน Sebastiano: "เราได้ออกแบบและสร้างวงจรรวม CMOS ที่สามารถควบคุมได้ถึง 128 qubits ซึ่งสามารถทำงานที่อุณหภูมิ 3 K (-270 °C) และจึงสามารถอธิบายได้ว่าเป็นวงจร cryo-CMOS"

CMOS (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม) เป็นเทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้กับไมโครโปรเซสเซอร์มาตรฐาน การใช้ CMOS จึงช่วยให้การผลิตที่ซับซ้อนมากเชื่อถือได้ วงจร ประกอบด้วยส่วนประกอบไฟฟ้าหลายพันล้านชิ้น ตามที่จำเป็นสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่

วงจรรวมและควิบิต

นักวิจัยได้สาธิตการทดลองทั้งการทำงานที่เหมาะสมของวงจรรวมและความสามารถในการขับเคลื่อนสปินคิวบิตจริง Spin qubit เป็นหนึ่งในตัวเลือก qubit ที่มีแนวโน้มสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ Sebastiano: “นี่คือวงจร cryo-CMOS ที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่เคยมีมา และเป็นวงจรแรกที่สามารถขับเคลื่อนการหมุนได้ ควิบิต.”

หนึ่งชิป

ความท้าทายต่อไปคือการปิดช่องว่างอุณหภูมิที่เหลืออยู่ “Spin qubit คาดว่าจะทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าเล็กน้อยในปัจจุบัน ซึ่งสูงกว่า 1.5 K” Sebastiano กล่าว “วงจร cryo-CMOS ของเราตอนนี้ทำงานที่ 3 K หากเราสามารถเชื่อมโยงสิ่งนี้ได้ อุณหภูมิ ช่องว่าง เราสามารถรวมทั้ง qubit และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมเข้าด้วยกันเป็นแพ็คเกจหรือชิปเดียวกัน จึงทำให้ได้ระบบที่มีขนาดกะทัดรัดมาก”