Kryo-chip overvinder forhindringer for storskala kvantecomputere

QuTech har løst et stort problem på vejen mod en fungerende kvantecomputer i stor skala. QuTech, et samarbejde mellem TU Delft og TNO, og Intel har designet og fremstillet et integreret kredsløb, der kan styre qubits ved ekstremt lave temperaturer. Dette baner vejen for den afgørende integration af qubits og deres styreelektronik i samme chip. Forskerne har præsenteret deres forskning under ISSCC-konferencen i San Francisco.

Kvantecomputere

"Dette resultat bringer os tættere på en storstilet kvantecomputer, som kan løse problemer, der er vanskelige at løse for selv de mest kraftfulde supercomputere. Løsninger på disse problemer kan have en stærk indflydelse på hverdagen, for eksempel inden for medicin og energi, " sagde teamleder Fabio Sebastiano fra QuTech og Fakultetet for Elektroteknik, Matematik og Datalogi.

Ekstreme temperaturer

"Der er mange problemer, der skal løses, før vi har en fungerende storskala kvantecomputer, " sagde Sebastiano. "Kvanteinformationen lagret i qubits kan hurtigt nedbrydes og blive ubrugelig, medmindre qubits køles ned til temperaturer meget tæt på det absolutte nulpunkt (-273 grader Celsius, eller 0 Kelvin). Af denne grund, qubits fungerer typisk inde i specielle køleskabe ved temperaturer så lave som 0,01 K, styret af konventionel elektronik, der arbejder ved stuetemperatur."

Opskalere

Der kræves en ledning for at forbinde hver qubit til styreelektronikken. Selvom dette er muligt for det lille antal qubits, der nu er i drift, tilgangen vil blive upraktisk for de millioner af qubits, der kræves i nyttige kvantecomputere. "Det ville svare til at tage 12-megapixel-kameraet på din mobiltelefon og prøve at koble hver af de millioner pixels individuelt til et separat elektronisk kredsløb, " sagde Sebastiano. "En mere levedygtig løsning er at betjene elektronikken, der styrer qubits ved ekstremt lave (kryogene) temperaturer, så de kan placeres så tæt som muligt på qubits."

Horse Ridge

QuTech gik sammen med Intel for at løse netop denne udfordring. Resultatet kaldes Horse Ridge - et integreret kredsløb opkaldt efter et af de koldeste steder i Oregon. Sebastiano:"Vi har designet og fremstillet et CMOS integreret kredsløb, der kan styre op til 128 qubits, som kan fungere ved 3 K (-270 °C) og kan derfor beskrives som et kryo-CMOS-kredsløb."

CMOS (complementary metal oxide semiconductor) er den samme teknologi, der anvendes til standard mikroprocessorer. Brug af CMOS muliggør derfor pålidelig fremstilling af meget komplekse kredsløb, der omfatter milliarder af elektriske komponenter, som krævet til storskala kvantecomputere.

Integreret kredsløb og qubit

Forskerne demonstrerede eksperimentelt både korrekt drift af det integrerede kredsløb og en evne til at drive en rigtig spin-qubit. Spin qubits er blandt de lovende qubit-kandidater til en storstilet kvantecomputer. Sebastiano:"Dette er det mest komplekse cryo-CMOS-kredsløb, der nogensinde er demonstreret, og den første, der er i stand til at køre en spin-qubit."

En chip

Den næste udfordring er at lukke det resterende temperaturgab. "Spin qubits forventes at fungere ved lidt højere temperaturer, end det er opnået nu, sig over 1, 5 K, " sagde Sebastiano. "Vores cryo-CMOS-kredsløb fungerer nu ved 3 K. Hvis vi kan bygge bro over dette temperaturgab, vi kunne integrere både qubits og deres styreelektronik i den samme pakke eller chip, og dermed opnå et ekstremt kompakt system."