|
Модульная аппаратная архитектура квантового компьютера
|
|
|
|
Квантовые компьютеры обещают быть способными быстро решать чрезвычайно сложные задачи, на решение которых у самого мощного суперкомпьютера в мире могут уйти десятилетия. Но для достижения такой производительности требуется создать систему с миллионами взаимосвязанных блоков, называемых кубитами. Создание такого количества кубитов в аппаратной архитектуре и управление ими - это огромная задача, которую пытаются решить ученые всего мира. Для достижения этой цели исследователи из Массачусетского технологического института и MITRE продемонстрировали масштабируемую модульную аппаратную платформу, которая объединяет тысячи взаимосвязанных кубитов в индивидуальную интегральную схему. Архитектура "квантовой системы на кристалле" (QSoC) позволяет исследователям точно настраивать и контролировать массив кубитов. Несколько чипов могут быть соединены с помощью оптических сетей для создания крупномасштабной квантовой коммуникационной сети.
|
|
|
|
Настраивая кубиты по 11 частотным каналам, эта архитектура QSoC позволяет использовать новый предложенный протокол "мультиплексирования с запутыванием" для крупномасштабных квантовых вычислений. Команда потратила годы на совершенствование сложного процесса изготовления двумерных массивов кубитных микрочипов размером с атом и перенос тысяч из них на тщательно подготовленный комплементарный металл-оксидный полупроводниковый (CMOS) чип. Этот перенос может быть выполнен за один шаг. "Нам понадобится большое количество кубитов и большой контроль над ними, чтобы по-настоящему использовать мощь квантовой системы и сделать ее полезной. Мы предлагаем совершенно новую архитектуру и технологию изготовления, которые могут удовлетворить требования к масштабируемости аппаратной системы для квантового компьютера", - говорит Линсен Ли, аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) и ведущий автор статьи, посвященной этой архитектуре.
|
|
|
Соавторами Ли являются Руонан Хан, доцент EECS, руководитель группы терагерцовой интегрированной электроники и сотрудник исследовательской лаборатории электроники (RLE); старший автор Дирк Энглунд, профессор EECS, главный исследователь группы квантовой фотоники и искусственного интеллекта и RLE; а также как и другие сотрудники Массачусетского технологического института, Корнеллского университета, технологического института Делфта, армейской исследовательской лаборатории и корпорации MITRE. Статья опубликована в журнале Nature. Несмотря на то, что существует много типов кубитов, исследователи решили использовать алмазные цветовые центры из-за их преимуществ в масштабируемости. Ранее они использовали такие кубиты для создания интегрированных квантовых чипов с фотонными схемами.
|
|
|
|
Кубиты, изготовленные из алмазных цветовых центров, представляют собой "искусственные атомы", которые несут квантовую информацию. Поскольку алмазные цветовые центры являются твердотельными системами, производство кубитов совместимо с современными процессами изготовления полупроводников. Они также компактны и имеют относительно длительное время когерентности, которое относится к периоду времени, в течение которого состояние кубита остается стабильным, благодаря чистоте окружающей среды, обеспечиваемой алмазным материалом. Кроме того, алмазные цветовые центры имеют фотонные интерфейсы, которые позволяют им удаленно связываться с другими кубитами, которые не находятся рядом с ними.
|
|
|
|
"В данной области принято считать, что неоднородность цветового центра алмаза является недостатком по сравнению с идентичной квантовой памятью, такой как ионы и нейтральные атомы. Однако мы превращаем эту проблему в преимущество, учитывая разнообразие искусственных атомов: каждый атом имеет свою собственную спектральную частоту. Это позволяет нам взаимодействовать с отдельными атомами, настраивая их напряжением в резонанс с лазером, подобно настройке циферблата на крошечном радиоприемнике", - говорит Энглунд. Это особенно сложно, потому что исследователи должны достичь этого в больших масштабах, чтобы компенсировать неоднородность кубитов в большой системе. Для связи между кубитами им необходимо иметь несколько таких "квантовых радиостанций", подключенных к одному каналу. Достижение этого условия становится почти неизбежным при масштабировании до тысяч кубитов.
|
|
|
|
С этой целью исследователи преодолели эту проблему, интегрировав большой массив центральных кубитов алмазного цвета в CMOS-чип, который обеспечивает управление циферблатами. Чип может быть оснащен встроенной цифровой логикой, которая быстро и автоматически перестраивает напряжения, позволяя кубитам полностью подключаться друг к другу. "Это компенсирует неоднородность системы. С помощью CMOS-платформы мы можем быстро и динамично настраивать все частоты кубитов", - объясняет Ли. Чтобы создать этот QSoC, исследователи разработали технологический процесс для переноса "микрочипов" алмазного центра цветопередачи на объединительную плату CMOS в больших масштабах. Они начали с изготовления массива микрочипов алмазного центра цветопередачи из цельного куска алмаза. Они также разработали и изготовили наноразмерные оптические антенны, которые позволяют более эффективно собирать фотоны, испускаемые этими кубитами с цветовым центром в свободном пространстве.
|
|
|
|
Затем они спроектировали и изготовили микросхему в литейном цехе semiconductor. Работая в лаборатории MIT.nano clean room, они подвергли CMOS-чип последующей обработке, чтобы добавить микроразъемные гнезда, соответствующие матрице алмазных микрочиплетов. Они создали собственную установку для переноса в лаборатории и применили процесс блокировки и расцепления для интеграции двух слоев, зафиксировав алмазные микрочипы в гнездах на CMOS-кристалле. Поскольку алмазные микрочипы слабо прикреплены к поверхности алмаза, когда они вынимают объемный алмаз горизонтально, микрочипы остаются в гнездах. "Поскольку мы можем контролировать процесс изготовления как алмаза, так и CMOS-чипа, мы можем создать взаимодополняющий шаблон. Таким образом, мы можем одновременно вставлять тысячи алмазных кристаллов в соответствующие гнезда", - говорит Ли.
|
|
|
|
Исследователи продемонстрировали перенос площади 500 на 500 микрон для матрицы с 1024 алмазными наноантеннами, но они могли бы использовать более крупные алмазные матрицы и CMOS-чип большего размера для дальнейшего расширения системы. На самом деле, они обнаружили, что при большем количестве кубитов настройка частот на самом деле требует меньшего напряжения для такой архитектуры. "В этом случае, если у вас будет больше кубитов, наша архитектура будет работать еще лучше", - говорит Ли. Команда протестировала множество наноструктур, прежде чем определила идеальную матрицу микрочиплетов для процесса блокировки и разблокировки. Однако создание квантовых микрочипов - задача не из легких, и на совершенствование процесса ушли годы. "Мы многократно повторяли и развивали рецепт изготовления этих алмазных наноструктур в чистых помещениях Массачусетского технологического института, но это очень сложный процесс. Для получения алмазных квантовых микрочипов потребовалось 19 этапов нанопроизводства, и эти этапы были непростыми", - добавляет он.
|
|
|
|
Наряду с QSoC, исследователи разработали подход, позволяющий охарактеризовать систему и измерить ее производительность в широком масштабе. Для этого они создали специальную криооптическую метрологическую установку. Используя этот метод, они продемонстрировали целый чип с более чем 4000 кубитами, которые можно было настроить на одну и ту же частоту, сохранив при этом их вращательные и оптические свойства. Они также создали симуляцию цифрового двойника, которая связывает эксперимент с цифровым моделированием, что помогает им понять первопричины наблюдаемого явления и определить, как эффективно реализовать архитектуру. В будущем исследователи могли бы повысить производительность своей системы, усовершенствовав материалы, которые они использовали для изготовления кубитов, или разработав более точные процессы управления. Они также могли бы применить эту архитектуру к другим твердотельным квантовым системам.
|
|
|
|
Источник
|
