دانشمندان و محققان در سرتاسر جهان در حال برداشتن گام‌های قابل توجهی در زمینه محاسبات کوانتومی هستند و هدفشان استفاده از میلیون‌ها کیوبیت بدون نویز برای حل مسائل پیچیده‌ای است که فراتر از توانایی‌های رایانه‌های کلاسیک است. محاسبات کوانتومی پتانسیل بسیار زیادی در کاربردهای مختلف از جمله سنتز مواد، توسعه مواد دارویی و امنیت سایبری دارد. برای دستیابی به این چشم‌انداز بلندمدت، پلتفرم‌های محاسباتی کوانتومی مختلف با انواع مختلف کیوبیت‌ها، در تلاش برای افزایش مقیاس از صدها تا میلیون‌ها کیوبیت هستند.
در میان پلتفرم ها، مدارهای کوانتومی ابررسانا به عنوان یکی از پیشرفته ترین ها ظاهر شده اند. این مدارها کنترل نسبتاً آسانی بر روی حالت‌های انرژی کیوبیت‌های ابررسانا ارائه می‌دهند و امکان کوپلینگ بیش از صد کیوبیت و دستیابی به سطوح بالاتری از درهم‌تنیدگی را فراهم می‌کنند. علاوه بر این، آن‌ها زمان‌های انسجام طولانی و دقت بالای گیت، معیارهای مهم برای محاسبات کوانتومی را در محیط‌های آزمایشگاهی در سطح جهانی نشان داده‌اند.
در یک نقطه عطف مهم، محققان imec به پیشرفتی در ساخت کیوبیت‌های ابررسانا با کیفیت بالا با استفاده از فرآیند 300 میلی‌متری فلز-اکسید-نیمه رسانا (CMOS) دست یافتند. این دستاورد تنوع و بازده را که مانع اساسی برای افزایش مقیاس می‌باشند، بهبود می‌دهد. با این حال، چالش‌هایی مانند توسعه ابزار دقیق مقیاس‌پذیر برای ارتباط با تعداد فزاینده کیوبیت‌های ابررسانا حساس به نویز باقی می‌مانند.
برای غلبه بر تنگنای ورودی-خروجی در کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ، محققان یک مالتی پلکسر Cryo-CMOS ساخته اند که در دمای پایه یخچال رقیق، حدود 10 میلی کلوین (mK) کار می کند. این مالتی پلکسر امکان کنترل کارآمد و بازخوانی کیوبیت ها را فراهم می کند و تعداد سیم ها را بین دمای اتاق و پایین ترین مرحله دما کاهش می دهد. مالتی پلکسر Cryo-CMOS بسیار کم توانِ Imec، که با کیوبیت های ابررسانا با انسجام بالا در ارتباط است، به گیت تک کیوبیتی بالای 99.9 درصد دست یافت که از آستانه تصحیح خطای کوانتومی فراتر رفته است.
یکی دیگر از پلتفرم‌های امیدوارکننده کیوبیت‌های مبتنی بر Si-spin هستند که در مقایسه با کیوبیت‌های ابررسانا از نظر اندازه کوچک‌تر هستند. کیوبیت های Si-spin مزیتی برای ارتقاء مقیاس دارند و با فناوری های ساخت CMOS سازگاری بالایی دارند. با این حال، چالش‌ها شامل کنترل کیوبیت‌های Si-spin، مدیریت نویز شارژ بالاتر در تکنیک‌های تولید صنعتی، و رسیدگی به مشکلات اتصال متقابل وجود دارند.
محققان imec با اتخاذ یک رویکرد ادغام مدولار به چالش‌های ارتقای کیوبیت‌های Si-spin می‌پردازند. با بهینه‌سازی و مهندسی فرآیند ساخت با استفاده از جریان یکپارچه‌سازی CMOS 300 میلی‌متری، هدف آن‌ها دستیابی به کیوبیت‌های اسپینی برپایه‌ی Si با کیفیت بالا در عین حفظ سازگاری با ریخته‌گری‌های تجاری است.
این پیشرفت ها در کنترل کیوبیت و بازخوانی نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در رقابت برای پلتفرم های محاسباتی کوانتومی سطح بالا است و راه را برای تحقق کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا، با کاربردهای بالقوه در زمینه‌های متعدد هموار می‌کند. همانطور که محاسبات کوانتومی به تکامل خود ادامه می‌دهد، محققان بر چالش‌ها غلبه می‌کنند و مرزهای ممکن را پیش می‌برند و ما را به آینده‌ای با انرژی کوانتومی نزدیک‌تر می‌کنند.
منبع
Acharya et al, Multiplexed superconducting qubit control at millikelvin temperatures with a low-power cryo-CMOS multiplexer, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01033-8
