معماری سخت افزاری مدولار و مقیاس پذیر برای یک کامپیوتر کوانتومی

خلاصه خبر:

محققان MIT و MITER معماری «سیستم کوانتومی روی تراشه» (QSoC) مقیاس‌پذیر و مدولار را نشان داده‌اند که هزاران کیوبیت را در یک مدار مجتمع سفارشی‌سازی شده ادغام می‌کند. نکته کلیدی استفاده آنها از کیوبیت های مرکز رنگ الماس است که با ساخت نیمه هادی سازگار هستند و می توانند از راه دور در همتنیده شوند. با تعبیه این کیوبیت ها بر روی یک تراشه CMOS، تیم یک فرآیند "قفل کردن و رها کردن" را برای انتقال هزاران کیوبیت به طور همزمان توسعه داد. این به آنها اجازه می دهد تا دقیقاً کیوبیت ها را تنظیم و کنترل کنند و بر ناهمگنی ذاتی غلبه کنند. با بیش از 4000 کیوبیت نشان داده شده، این معماری QSoC نویدبخش افزایش مقیاس پذیری سخت افزار محاسباتی کوانتومی برای باز کردن پتانسیل کامل این فناوری است.

توضیحات تکمیلی:

کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل بسیار زیادی دارند، اما درک قدرت آنها مستلزم ساختن سیستم هایی با میلیون ها بیت کوانتومی به هم پیوسته (کیوبیت) است. محققان MIT و MITER یک معماری جدید "سیستم کوانتومی روی تراشه" (QSoC) ایجاد کرده اند که هزاران کیوبیت را در یک مدار مجتمع سفارشی ادغام می کند.

این تیم از کیوبیت‌های مرکز رنگ الماس استفاده کردند که «اتم‌های مصنوعی» حالت جامد هستند که می‌توانند اطلاعات کوانتومی را ذخیره کنند. این کیوبیت ها چندین مزیت دارند، از جمله سازگاری با ساخت نیمه هادی، زمان همدوسی طولانی، و توانایی درهم تنیدگی از راه دور از طریق رابط های فوتونیکی.

برای ساخت QSoC، محققان یک فرآیند ساخت چند مرحله ای را توسعه دادند. ابتدا آرایه ای از تراشه های الماس میکروسکوپی حاوی کیوبیت های مرکز رنگ ایجاد کردند. آنها سپس یک تراشه CMOS مکمل با سوکت های مشابه طراحی کردند. آنها با استفاده از تکنیک "lock-and-release" توانستند تراشه های الماس را در یک مرحله به تراشه CMOS منتقل کنند و هزاران کیوبیت را یکپارچه کنند.

معماری QSoC به محققان اجازه می دهد تا آرایه متراکم کیوبیت ها را به طور دقیق تنظیم و کنترل کنند. با تنظیم کیوبیت‌ها در کانال‌های فرکانس چندگانه، این سیستم یک رویکرد جدید «چند گانه‌سازی درهم‌تنیدگی» را برای محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ فعال می‌کند. این تیم همچنین ابزارهای مترولوژی سفارشی را برای توصیف کل تراشه ساختند و بیش از 4000 کیوبیت را با همان فرکانس تنظیم کردند و در عین حال خواص کوانتومی خود را حفظ کردند.

این طراحی مدولار QSoC نشان دهنده گام مهمی در جهت مقیاس پذیری مورد نیاز برای کامپیوترهای کوانتومی عملی است. اصلاحات آتی در مواد و فرآیندهای کنترل می تواند عملکرد سیستم را بیشتر افزایش دهد. معماری QSoC را می‌توان برای سایر پلتفرم‌های کوانتومی حالت جامد فراتر از الماس نیز اعمال کرد.

منبع

Dirk Englund, Heterogeneous integration of spin–photon interfaces with a CMOS platform, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07371-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07371-7