מחשבים קוונטיים, מערכות מחשוב המעבדות מידע תוך שימוש באפקטים מכאניים קוונטיים, עלולות לעלות על מחשבים קלאסיים בכמה משימות חישוביות. מחשבים אלה מסתמכים על קיוביטים, היחידות הבסיסיות של מידע קוונטי, שיכולות להתקיים במספר מצבים (0, 1 או שניהם בו-זמנית), בשל השפעות קוונטיות הידועות כסופרפוזיציה והסתבכות.
רבים מהמחשבים הקוונטיים שפותחו בשנים האחרונות מבוססים על מוליכים קונבנציונליים, חומרים שמפגינים התנגדות חשמלית של אפס בטמפרטורות נמוכות במיוחד. כדי לפעול בצורה אמינה ולהפגין מוליכות-על, יש לקרר מעגלים המבוססים על חומרים אלה לטמפרטורות מילקלווין.
במחשבים קוונטיים, כל קיוביט דורש בדרך כלל קו בקרה משלו. משמעות הדבר היא שמהנדסים צריכים להכניס מספר חוטים הנושאים פולסים חשמליים (כלומר, קווי אות), ומספר החוטים הדרושים גדל עם מספר הקיוביטים. ככל שמחשבים קוונטיים גדלים, זה יכול להיות בעייתי, מכיוון שהמעבדים הופכים קשים יותר לבנייה ולהפעלה אמינה.
חוקרים מ-Seeqc Inc., חברה המפתחת מערכות מחשוב קוונטי דיגיטליות, הציגו לאחרונה מעבד קוונטי חדש שיכול לפעול בצורה מהימנה ובטמפרטורות מיליקלווין, למרות שהוא דורש פחות חיווט משמעותית. מעבד זה, הוצג במאמר שפורסם בטבע אלקטרוניקה, בעל עיצוב ייחודי בו קיוביטים ואלקטרוניקת הבקרה שלהם משולבים בשני שבבים מוליכי-על נפרדים אך מחוברים.
"הפיתוח של פלטפורמות מחשוב קוונטי מוליכות-על עומד בפני אתגרי קנה מידה ניכרים מכיוון שנדרשים קווי אות בודדים כדי לשלוט בכל קיוביט", כתבו קיילב ג'ורדה, ג'ייקוב ברנהרד ועמיתיהם במאמרם. "תקורה חיווטית זו היא תוצאה של רמת האינטגרציה הנמוכה בין אלקטרוניקת הבקרה בטמפרטורת החדר לבין הקיוביטים הפועלים בטמפרטורות מיליקלווין. אלטרנטיבה מבטיחה היא להשתמש באלקטרוניקת בקרה דיגיטלית קריוגנית, המתקיימת במקביל עם קיוביטים".
התגברות על אתגר החיווט
כדי להתגבר על בעיות החיווט שהפריעו עד כה לפיתוח של מעבדים קוונטיים-גדולים יותר, צוות המחקר הזה עיצב מודול רב-שבבים חדש. מודול זה מורכב משני שבבים נפרדים, אחד מארח קיוביטים והשני בקרה אלקטרונית.
החוקרים השתמשו במיוחד באלקטרוניקה של בקרת קוואנטים-יחידה, מעגלים דיגיטליים מוליכים-על היוצרים פולסים חשמליים קצרים ומדויקים מאוד באמצעות אותות מגנטיים זעירים. השבב המארח את המעגלים הללו חובר לשבב המכיל מעגלים מוליכים באמצעות גישה המכונה חיבור צ'יפ-.
גישה זו כוללת הצבת שבבים מול-מול-ולאחר מכן קישורם באמצעות בליטות מתכת מיקרוסקופיות. כל המודול הרב-שבב שפותח על ידי ג'ורדה, ברנהרד ועמיתיהם פועל בתוך מערך קריוגני ששומר עליו בטמפרטורות מילקלווין.
"אנו מציגים יחידת מעבד קוונטי פעילה שבה קיוביטים ואלקטרוניקה{0}}יחידה של בקרת קוואנטים משולבים במודול-שבבים מרובה אחד באמצעות הצמדת שבב-היפוך", כתבו המחברים. "המערכת שלנו משתמשת ב-demultiplexing דיגיטלי כדי להפיץ פולסי בקרה למספר קיוביטים, ובכך לשבור את קנה המידה הליניארי של קווי הבקרה למספר הקיוביטים. עם גישה זו, אנו מדגימים נאמנות קיוביט בודדת- מעל 99% ועד 99.9%."
גישה חדשה למעבדים קוונטיים יוקרתיים
למעבד הקוונטי שתוכנן על ידי צוות מחקר זה יש יתרונות בולטים על פני מעבדים קוונטיים מוליכי-על רבים אחרים שהוצגו בעבר. בבדיקות ראשוניות, הוא נמצא בעל ביצועים טובים להפליא, תוך שמירה על שליטה מצוינת על קיוביטים ללא צורך בחיווט נרחב.
בעתיד, ניתן יהיה להגדיל את העיצוב החדש ליצירת מעבדים קוונטיים גדולים יותר המכילים קיוביטים רבים נוספים ובכך יכולים להתמודד עם בעיות חישוביות מורכבות יותר. בנוסף, זה יכול להוות השראה להצגת מודולים קוונטיים מרובי-שבבים דומים אחרים שפועלים בצורה אמינה וקל יותר לשדרג אותם.
