Одна из многих проблем, стоящих перед квантовыми вычислениями в будущем – это масштабируемость. Хотя исследователи предсказывают, что квантовые компьютеры должны будут работать с сотнями тысяч кубитов, современные квантовые компьютеры все еще работают с кубитами с двузначными числами.
Исследователи из Сиднейского университета в сотрудничестве с Microsoft разработали методику, которая, по их мнению, позволит обеспечить необходимое масштабирование квантовых компьютеров.
Квантовой масштабируемости в значительной степени препятствуют два конфликтующих ограничения. Первое ограничение состоит в том, что для управления кубитами с помощью управляющих сигналов современные архитектуры требуют, чтобы каждый кубит управлялся индивидуально с помощью внешних схем. Эти управляющие сигналы вырабатываются классической, а не квантовой электроникой. Второе ограничение заключается в том, что квантовые компьютеры должны храниться при криогенных температурах (близких к абсолютному нулю), чтобы вести себя детерминированно в мире квантовой механики.
Вот где возникает фундаментальная несовместимость: классическая электроника должна использоваться для индивидуального управления кубитами, но кубиты должны работать почти при абсолютном нуле. Классическая электроника в криогенных средах все еще находится в зачаточном состоянии. Вместо этого разработчики квантовых компьютеров управляют классической электроникой при комнатной температуре и используют длинные неуклюжие кабели для связи между ними. Это большой фактор, ограничивающий масштабируемость квантового компьютера. Фактически, недавний исследовательский эксперимент потребовал около 200 широкополосных коаксиальных кабелей, 45 микроволновых циркуляторов и стойки с электроникой для комнатной температуры для управления всего 53 кубитами. Как исследователи могут сделать следующий шаг к контролю тысяч кубитов?
Более четырех лет исследователи из Сиднейского университета работали с Microsoft над решением этой проблемы и на этой неделе объявили о многообещающих разработках. Их решение - устранить расстояние и разницу температур между классической квантовой электроникой. Они добились этого, разработав ИС для управления кубитами на основе КМОП, предназначенную для работы при криогенных температурах, вплоть до 100 мК. Единая ИС способна управлять тысячами кубитов, требуя только два провода в качестве входа, устраняя массивную инфраструктуру, необходимую для обычных квантовых компьютеров. Наряду с повышенной масштабируемостью это решение, приближающее классическую электронику к квантовой электронике, имеет дополнительное преимущество в виде снижения энергопотребления и увеличения скорости.
Как объясняется в статье исследователей, опубликованной в Nature, крио-CMOS-чип состоит из цифровых и аналоговых блоков, работающих в унисон. Блоки цифровых схем используются для связи, памяти (в виде 128-битного регистра) и автономной работы микросхемы через конечный автомат, состоящий примерно из 100 000 транзисторов. В этом разделе также содержится настраиваемый кольцевой генератор.
На аналоговой стороне находятся ячейки с быстрым затвором и блокировкой заряда (CLFG), которые работают с использованием технологии переключаемых конденсаторов для генерации динамических и статических напряжений, необходимых для управления кубитами. Блоки CLFG используют низкую утечку устройств при криогенных температурах, используя методы на основе переключаемых конденсаторов для генерации и перемещения зарядов по мере необходимости. Работая с Microsoft, исследователи из Сиднея ожидают, что чип не останется только в академических кругах, а будет полностью производиться. Микросхема построена по 28-нм технологии полностью обедненного кремния на изоляторе.
Говоря о будущем проекта, главный исследователь Дэвид Рейли сказал: «Мы только начинаем новую волну квантовых инноваций». Он продолжает: «Самое замечательное в партнерстве заключается в том, что мы не просто публикуем статью и не двигаемся дальше. Теперь мы можем продолжить разработку плана реализации квантовой технологии в промышленном масштабе».
© digitrode.ru