巧妙的布线架构使量子计算机更大更好

复杂电路的概念

为可扩展的量子计算铺设新路径

去年,谷歌制作了一个53态量子计算机,可以比世界上最快的超级计算机更快地执行特定计算。与当今大多数最大的量子计算机一样,该系统具有数十QUBITS - Quantum对应物到位,其编码传统计算机中的信息。

为了制作更大更有用的系统,今天的大部分原型都必须克服稳定性和可扩展性的挑战。后者需要增加信令和布线的密度,这很难做到,而不会降低系统的稳定性。我认为,瑞肯超导量子电子研究团队在与其他机构合作的最后三年中开发的新电路接线方案开放,打开门,以在未来十年内扩展100个或更多Qubits。在这里,我讨论了如何。

集成超导量子位原理图

这种集成超导Qubits及其包装的示意图,显示了Qubits作为带环的绿点,其在硅芯片的顶部(以红色)布置出来。芯片的许多孔电连接顶部和底表面。顶部的蓝色电线是用于贵族读数的电路元件。同轴布线(带镀金弹簧载体)连接到芯片的背面,并读取距离。信用:Yutaka Tabuchi

挑战一:可伸缩性

量子计算机使用基于量子力学原理的基础使用精致和复杂的相互作用来处理信息。进一步解释这一点,我们必须了解Qubits。量子计算机由各个Qubits构建,它们类似于传统计算机中使用的二进制位。但代替零点或一点的二进制状态,Qubit需要维持一个非常脆弱的量子状态。而不是仅为零或一个,Qubits也可以处于称为叠加的状态 - 它们在零和同时存在于零和一个的状态。这允许基于Qubits基于Qubits的量子计算机以针对每个可能的逻辑状态,零或一个并行处理数据,因此它们可以基于特定类型的问题的比特来执行比传统计算机更有效,从而更快地计算。

然而,创建一个量子位比传统的比特要困难得多,而且需要对电路的量子力学行为进行完全控制。科学家们已经提出了一些可靠的方法来做到这一点。在日本理研,超导电路中含有一种称为约瑟夫森结的元素,用来产生有用的量子力学效应。通过这种方式,量子比特现在可以通过半导体行业常用的纳米制造技术可靠地重复生产。

可扩展性的挑战意味着每个轮询每种情况都需要接线和连接,从而产生具有最小串扰的控制和读出。As we moved past tiny two-by-two or four-by-four arrays of qubits, we have realized just how densely the associated wiring can be packed, and we’ve had to create better systems and fabrication methods to avoid getting our wires crossed, literally.

,这里,我们建立了一系列造的量子位使用我们自己的接线图,在每个量子位的连接是由垂直背后的芯片,而不是一个单独的倒装芯片的接口使用的其他团体带来连接垫的边缘一个量子芯片。这涉及到一些精密的制造,通过硅芯片制造高密度的超导过孔阵列(电子连接),但它应该允许我们扩大到更大的设备。我们的团队正在研究一个64量子位的设备,我们希望在未来三年内拥有它。作为国家资助的研究计划的一部分,接下来的五年内将会有一个100量子位的设备。这个平台最终将允许在单个芯片上集成多达1000个量子位。

挑战二:稳定

Quantum计算机的其他主要挑战是如何应对Qubits的内在脆弱性,以从外部力(如温度)的波动或噪声进行波动或噪音。对于Qubit函数,需要保持在量子叠加状态或“量子相干”状态。在超导Qubits的早期,我们可以让这个国家持续纳秒。现在,通过将量子计算机冷却到低温温度并创造其他几种环境控制,我们可以保持最多100微秒的连贯性。在一致性丢失之前,几百微秒允许我们平均执行几千个信息处理操作。

在理论上,我们可以处理不稳定的一种方式是使用量子纠错,其中我们利用几个物理Qubits来编码单个“逻辑qubit”,并应用可以诊断和修复逻辑量子票的错误校正协议。但是,由于许多原因,实现这仍然很远,这不是哪一个是可扩展性问题。

量子电路

自20世纪90年代以来,以前量子计算成了大事。当我开始时,我有兴趣我的团队是否可以在电路中创造和测量量子叠加状态。当时,如果整个电路可以机械地表现量,则并不明显。为了在电路中实现稳定的QUBBET并在电路中创建开关和-off状态,电路还需要能够支持叠加状态。

我们最终提出了使用超导电路的想法。超导状态没有所有电阻和损耗,因此它被简化以响应小量子机械效应。为了测试该电路,我们使用了由铝制成的微型超导岛,通过Josephson结 - 通过纳米厚的绝缘屏障分开的结件连接到较大的超导接地电极 - 并且我们捕获了隧穿的超导电子对交界处。由于铝岛的少量,由于带负电的对之间称为库仑封锁的效果,它可以容纳大多数多余对。岛中零或一个多余对的状态可以用作量子位的状态。量子 - 机械隧穿保持QUBBIT的一致性,并允许我们创建各种级别的叠加,这完全被微波脉冲控制。

混合系统

由于量子计算机非常精密的特性,在不久的将来不太可能出现在家庭中。然而,由于认识到研究型量子计算机的巨大好处,谷歌和IBM等工业巨头,以及世界各地的许多初创公司和学术机构,正越来越多地投资于研究。

一个完全纠错的商业量子计算平台可能还需要十多年的时间,但最先进的技术发展已经为新的科学和应用带来了可能性。较小规模的量子电路已经在实验室中完成了有用的任务。

例如,我们使用超导量子电路平台与其他量子机械系统相结合。该混合量子系统允许我们测量集体激励内的单量子反应 - 是电子旋转在磁体中的晶体,基板中的晶格振动或电路中的电磁场中的IT在电路中的晶体晶片中的电磁场。这些测量应该推进我们对量子物理学的理解,并用它计算。我们的系统也足够敏感,以测量微波频率的单个光子,其能量大约比可见光光子的能量低大约五个数量级,而不会吸收或破坏它。希望这将作为Quantum Networks连接远程Qubit模块的量子网络的构建块。

量子网络

将超导量子计算机连接到光学量子通信网络是我们混合系统的另一个未来挑战。这将在预期未来的预期制定,其中包括通过光学接线连接的量子互联网,让人想起今天的互联网。然而,即使在电信波长下的红外光的单个光子也不能直接击中超导量子位,而不会干扰量子信息,因此必须仔细的设计是必须的。我们目前正在研究将量子信号从超导量子位转换为红外光子的混合量子系统,反之亦然,反之亦然,例如涉及微小声学振荡器的量子。

虽然需要克服许多复杂的问题,但科学家可以看到地平线上量子计算机增强的未来。事实上,量子科学每天都在我们手中。从未发明过晶体管和激光二极管,而不是正确理解半导体中电子的特性,这是基于理解量子力学的完全。因此,通过智能手机和互联网,我们已经完全依赖量子力学,我们将来只会变得越来越多。

参考

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