Quantum Computing
Νέες μέθοδοι για την ψύξη των κβαντικών υπολογιστών
Νέες μέθοδοι ψύξης για κβαντικούς υπολογιστές από το MIT με χρήση τεραχερτζ κυμάτων.
Η πρόκληση της θερμότητας στους κβαντικούς υπολογιστές
Η θερμότητα αποτελεί έναν από τους μεγαλύτερους εχθρούς των κβαντικών υπολογιστών, καθώς προκαλεί σφάλματα στα qubits, τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία αυτών των συστημάτων. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, οι κβαντικοί υπολογιστές φυλάσσονται σε ειδικά ψυγεία που διατηρούν τη θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν (-273 βαθμούς Κελσίου).
Η ανάγκη για επικοινωνία με το εξωτερικό περιβάλλον
Ωστόσο, οι κβαντικοί υπολογιστές πρέπει να επικοινωνούν με ηλεκτρονικές συσκευές που βρίσκονται εκτός του ψυγείου, σε θερμοκρασίες δωματίου. Οι μεταλλικά καλώδια που συνδέουν αυτές τις συσκευές μεταφέρουν θερμότητα στο ψυγείο, το οποίο πρέπει να δουλέψει πιο σκληρά και να καταναλώσει περισσότερη ενέργεια για να διατηρήσει το σύστημα κρύο. Επιπλέον, όσο περισσότερα qubits έχει ένα σύστημα, τόσο περισσότερα καλώδια χρειάζονται, περιορίζοντας έτσι το μέγεθος του κβαντικού συστήματος.
Ασύρματη επικοινωνία με τεραχερτζ κύματα
Για να ξεπεραστεί αυτή η πρόκληση, μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών του MIT ανέπτυξε ένα ασύρματο σύστημα επικοινωνίας που επιτρέπει σε έναν κβαντικό υπολογιστή να στέλνει και να λαμβάνει δεδομένα από και προς ηλεκτρονικές συσκευές εκτός του ψυγείου, χρησιμοποιώντας υψηλής ταχύτητας τεραχερτζ κύματα.
Η λειτουργία του συστήματος
Ένα τσιπ πομποδέκτη τοποθετείται μέσα στο ψυγείο και μπορεί να λαμβάνει και να μεταδίδει δεδομένα. Τα τεραχερτζ κύματα που παράγονται εκτός του ψυγείου διαπερνούν ένα γυάλινο παράθυρο. Τα δεδομένα που κωδικοποιούνται σε αυτά τα κύματα μπορούν να ληφθούν από το τσιπ. Το τσιπ λειτουργεί επίσης ως καθρέφτης, επιστρέφοντας δεδομένα από τα qubits μέσω των τεραχερτζ κυμάτων που αντανακλά στην πηγή τους.
Εξοικονόμηση ενέργειας και μείωση θερμότητας
Η διαδικασία της αντανάκλασης επιστρέφει επίσης μεγάλο μέρος της ενέργειας που εισέρχεται στο ψυγείο, με αποτέλεσμα η διαδικασία να παράγει μόνο ελάχιστη θερμότητα. Το σύστημα επικοινωνίας χωρίς επαφή καταναλώνει έως και 10 φορές λιγότερη ενέργεια από τα συστήματα με μεταλλικά καλώδια.
Η συμβολή των ερευνητών
Ο επικεφαλής συγγραφέας Ruonan Han, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών (EECS), αναφέρει: «Με αυτήν την αντανάκλαση, πραγματικά εξοικονομούμε την κατανάλωση ενέργειας μέσα στο ψυγείο και αφήνουμε όλες τις δύσκολες δουλειές εκτός. Αν και αυτό είναι ακόμη ένα πρωτότυπο, έχουμε ήδη δείξει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας που είναι καλύτερη από τα μεταλλικά καλώδια. Πιστεύω ότι αυτό θα μπορούσε να είναι ένας τρόπος για την κατασκευή μεγάλων κβαντικών συστημάτων.»
Η τεχνολογία πίσω από το τσιπ
Η ομάδα του Han, με εξειδίκευση στα τεραχερτζ κύματα και τις ηλεκτρονικές συσκευές, συνεργάστηκε με τον αναπληρωτή καθηγητή Dirk Englund και την ομάδα του Quantum Photonics Laboratory, που παρείχαν εξειδίκευση στην κβαντική μηχανική και συμμετείχαν στη διεξαγωγή των κρυογενικών πειραμάτων.
Η καινοτομία των μικροσκοπικών καθρεφτών
Το τετράγωνο τσιπ πομποδέκτη των ερευνητών, με διαστάσεις περίπου 2 χιλιοστά σε κάθε πλευρά, τοποθετείται σε έναν κβαντικό υπολογιστή μέσα στο ψυγείο, το οποίο ονομάζεται κρυοστάτης επειδή διατηρεί κρυογενικές θερμοκρασίες. Αυτές οι υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες δεν βλάπτουν το τσιπ. Αντιθέτως, του επιτρέπουν να λειτουργεί πιο αποτελεσματικά από ό,τι σε θερμοκρασία δωματίου.
Η χρήση τεραχερτζ κυμάτων
Τα δεδομένα μεταδίδονται χρησιμοποιώντας υψηλής ταχύτητας τεραχερτζ κύματα, τα οποία βρίσκονται στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα μεταξύ των ραδιοκυμάτων και του υπέρυθρου φωτός. Επειδή τα τεραχερτζ κύματα είναι πολύ μικρότερα από τα ραδιοκύματα, το τσιπ και οι κεραίες του μπορούν να είναι μικρότερα, καθιστώντας τη συσκευή πιο εύκολη στην κατασκευή σε μεγάλη κλίμακα.
Η σημασία της συμβατότητας CMOS
Η συμβατότητα με CMOS είναι σημαντική. Ένα τεραχερτζ κύμα θα μπορούσε να παραδώσει μεγάλο όγκο δεδομένων και να τα τροφοδοτήσει σε έναν άλλο cryo-CMOS ελεγκτή, ο οποίος μπορεί να διαχωρίσει το σήμα για να ελέγξει πολλαπλά qubits ταυτόχρονα, μειώνοντας δραματικά την ποσότητα των καλωδίων RF.
Αυξημένη ταχύτητα και μελλοντικές βελτιώσεις
Οι ερευνητές κατάφεραν να μεταδώσουν δεδομένα με ταχύτητα 4 gigabits ανά δευτερόλεπτο με το πρωτότυπό τους. Ο Han αναφέρει ότι ο ουρανός είναι το όριο όσον αφορά την αύξηση αυτής της ταχύτητας. Η θερμική φόρτιση του συστήματος χωρίς επαφή ήταν περίπου 10 φορές μικρότερη από ένα σύστημα με μεταλλικά καλώδια, και η θερμοκρασία του κρυοστάτη κυμαινόταν μόνο λίγα millidegrees κατά τη διάρκεια των πειραμάτων.
Μελλοντικές προοπτικές
Τώρα που οι ερευνητές έχουν αποδείξει αυτήν την ασύρματη τεχνολογία, θέλουν να βελτιώσουν την ταχύτητα και την απόδοση του συστήματος χρησιμοποιώντας ειδικές ίνες τεραχερτζ, που είναι μόνο μερικές εκατοντάδες μικρόμετρα πλάτος. Η ομάδα του Han έχει δείξει ότι αυτές οι πλαστικές ίνες μπορούν να μεταδώσουν δεδομένα με ρυθμό 100 gigabits ανά δευτερόλεπτο και έχουν πολύ καλύτερη θερμική μόνωση από τα παχύτερα, μεταλλικά καλώδια.
Το τσιπ πομποδέκτη κατασκευάστηκε μέσω του προγράμματος Intel University Shuttle.
