الکترون های شناور روی هلیوم مایع: فناوری جدید کیوبیت و کامپیوتر کوانتومی

مقیاس بندی مدت هاست که به عنوان یک مانع بزرگ برای پردازنده های کوانتومی، همراه با نیاز به پیشرفت در تصحیح خطای کوانتومی و کنترل گیت های کوانتومی شناخته شده است. با این حال، در حالی که پیشرفت سریعی در دو مورد اخیر حاصل شده است، پیشرفت بسیار کمتری در توسعه یک سیستم مقیاس پذیر مبتنی بر CMOS حاصل شده است، که در آن دستگاه ها و کیوبیت ها به اندازه کافی یکسان هستند که تعداد سیگنال های کنترل خارجی به آرامی با تعداد کیوبیت ها افزایش می یابد. بنابراین، توسعه و Tape-out معماری مقیاس‌پذیری مبتنی بر CMOS اهمیت جدیدی پیدا کرده است، زیرا مقیاس‌بندی به حیاتی‌ترین وظیفه باقی‌مانده برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی قابل دوام تبدیل شده است.

شرکت EeroQ، پیشرفتی کلیدی به سمت این هدف داشته‌ است، و در یک کارخانه نیمه‌هادی بزرگ در ایالات متحده، یک سیستم با 2432 کیوبیت با تنها 30 خط کنترل را tape-out کرده است و این پردازنده را Wonder-Lake نامیده است. این معماری مقیاس‌بندی، بررسی‌های دقیق مورد نیاز برای سازگاری با فرآیند استاندارد تولید تراشه (CMOS) امروزی را پشت سر گذاشته است.

معماری یک پردازنده کوانتومی به چندین لایه نیاز دارد که همه آنها هماهنگ کار می کنند. این تراشه زیرساخت مورد نیاز برای دستگاه‌های آینده را تشکیل می‌دهد که می‌توانند تک تک الکترون‌ها را نگه دارند، که آنها در تلاش هستند تا آنرا به عنوان یک پلتفرم کیوبیت پیشرو توسعه دهند. سیستم‌های EeroQ، مبتنی بر اسپین‌های الکترون ایزوله شده در بالای سطح هلیوم مایع (eHe) هستند، و قرار است از تک کیوبیت تا 10000 و فراتر... ساخته شوند.

به جای شروع با گیت‌های یک و دو کیوبیتی و امید به مقیاس‌پذیری با روش های فعل، این شرکت با معماری مقیاس‌پذیری مبتنی بر CMOS شروع کرده‌ است که می‌تواند از انواع مختلف گیت‌های کوانتومی پشتیبانی کند. در این سیستم، هر الکترون «اسپین» را می‌توان به عنوان یک آهنربای کوچک در نظر گرفت و دستگاه‌های کوانتومی اولیه از برهمکنش بین این آهن‌رباهای الکترونی برای تولید گیت های دو کیوبیتی استفاده می‌کنند. این استراتژی رویکرد EeroQ به محاسبات کوانتومی را در موقعیتی قرار می دهد که به یک فناوری جهشی تبدیل شود. تا به امروز، نمایش‌های زیادی از کیوبیت‌های باکیفیت، حتی بیش از 100 عدد در پردازنده‌ها، انجام شده است، اما هنوز راهی عملی و قابل دستیابی برای مقیاس‌پذیری به چند هزار یا بیشتر در یک تراشه وجود ندارد.

رویکرد EeroQ به محاسبات کوانتومی با هر شرکت دیگری متفاوت است. در قلب هر پردازنده کوانتومی یک کیوبیت قرار دارد و برای شرکت EeroQ این کیوبیت اسپین الکترون است. در مقاله‌ای در سال 1999 در Science، همکاری بین محققان آزمایشگاه‌های بل و دانشگاه ایالتی میشیگان پیشنهاد کرد که یک الکترون شناور در بالای سطح هلیوم مایع با استفاده از حرکت عمودی الکترون بالای سطح هلیوم، یک کامپیوتر کوانتومی استثنایی ایجاد می‌کند که اصطلاحاً «حالت‌های ریدبرگ» حرکت الکترون نامیده می‌شود. در سال 2006، استفان لیون، مدیر ارشد فناوری EeroQ، در Physical Review A پیشنهاد کرد که این حالت اسپین الکترون بسیاری از مزایای حالت‌های Rydberg را ارائه می‌کند، و زمان انسجام کوانتومی بسیار افزایش یافته بیش از 10 ثانیه دارد.

آنها ابتدا پردازنده های خودشان را در کارخانه های ساخت CMOS میسازند. هنگامی که ویفرها از کارخانه ریخته گری رسید، یک لایه نازک هلیوم مایع اضافه می کنند، الکترون ها را در مخازن روی تراشه ذخیره می کنند، حالت اسپین آنها را مقداردهی اولیه می کنند و محاسبه را آغاز می کنند. کیوبیت الکترونی حدود 10 نانومتر بالای سطح هلیوم قرار می گیرد، جایی که در بالای الکترودهای واقع در زیر هلیوم توسط ولتاژهای کنترلی به دام می افتد. در EeroQ آنها در حال ساخت دستگاه‌های کوانتومی نسل بعدی با ترکیب اندازه کوچک الکترون‌ها و هلیوم ابر سیال هستیم که با زیرساخت CMOS و عدم نیاز به اتصالات مدولار کار میکند.

پس از 6 سال تلاش و کار مخفیانه در سایه ها اکنون معماری برای مقیاس‌بندی این سیستم ارائه کرده اند. مرحله بعدی پیاده سازی یک گیت دو کیوبیتی بر اساس فیزیک بسیار خوب درک شده از برهمکنش دوقطبی-دوقطبی مغناطیسی است که می تواند روی تراشه "کشیده و رها شود (Drag & Drop)".  اولین گیت های دو کیوبیتی آنها توسط 2 اسپین مغناطیسی کوچک الکترون ها تولید خواهند شد. هر الکترون دارای یک میدان مغناطیسی است و این میدان یکی از دقیق ترین کمیت های شناخته شده در فیزیک است. در این طرح، منبع اصلی خطا در گیت درهم تنیده از موقعیت 2 الکترون ناشی می شود که با مهندسی ریزساختارهای روی تراشه CMOS که الکترون ها را نگه می دارد، کنترل می شود. دقت فرآیند CMOS خطاهای گیت کوانتومی مربوط به ساخت را تا حدود 0.01 درصد کاهش می دهد. سپس گیت های کوانتومی خود را به مکان های از پیش تعیین شده روی تراشه اضافه می کنند.

کاری که EeroQ انجام داده است گام مهمی در مسیر ساخت یک کامپیوتر کوانتومی قابل دوام تجاری است و به آنها این امکان را می دهد که اهداف کوتاه مدت بعدی خود را دنبال کنند. چالش های اصلی این تکنولوژی ایجاد گیت های کوانتومی با کیفیت بالا و مقیاس پذیری سیستم شان است.

ویژگی های سیستم الکترون روی هلیوم:

● انسجام کیوبیت 10+ ثانیه

● اتصال کیوبیت بالا

● کیوبیت های یکسان، قابل کنترل به صورت موازی تنها با چند ولتاژ روی یک تراشه CMOS

● کیوبیت های متحرک روی سطح هلیوم (که تا 50 برابر کاهش سربار مورد نیاز برای تصحیح خطا را فراهم می کند)

● 99.9٪ فیدلیتی گیت

● سیستمی بدون اتصالات متقابل مدولار ... به طوری که تمام قدرت محاسباتی کوانتومی مورد نیاز شما در دستگاهی به اندازه کافی کوچک خواهد بود.

لینک منبع:

https://eeroq.com/2023/07/19/building-a-quantum-computer-in-reverse/