Η επανάσταση των υπεραγώγιμων qubits από το MIT

Η ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής

Τα τελευταία τριάντα χρόνια, η κβαντική υπολογιστική έχει μεταμορφωθεί από μια θεωρητική ιδέα σε έναν παγκόσμιο κλάδο, πλησιάζοντας την ημέρα που θα μπορεί να επιλύει προβλήματα υπερβολικά περίπλοκα για τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές. Το MIT Lincoln Laboratory βρίσκεται στην αιχμή της έρευνας, καθιστώντας την κβαντική έρευνα προσβάσιμη σε μια ευρύτερη κοινότητα μέσω του Superconducting Qubits at Lincoln Laboratory (SQUILL) Foundry.

Τι είναι τα υπεραγώγιμα qubits;

Τα κβαντικά bits ή qubits είναι τα θεμέλια των κβαντικών υπολογιστών, όπως οι τρανζίστορ στους κλασικούς υπολογιστές. Υπάρχουν πολλοί τρόποι κατασκευής ενός qubit, αλλά τα υπεραγώγιμα qubits είναι από τα πιο υποσχόμενα. Αυτά δημιουργούνται μέσω κυκλωμάτων από υπεραγώγιμα στοιχεία. Η κατασκευή τους γίνεται με τεχνικές παρόμοιες με την κατασκευή συμβατικών μικροηλεκτρονικών, όπως η εναπόθεση και χάραξη λεπτών μεταλλικών φιλμ σε υποστρώματα. Τα qubits λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, σχηματίζοντας “τεχνητά άτομα”.

Η πρόκληση της κατασκευής υπεραγώγιμων qubits

Η πραγματοποίηση της υπόσχεσης της κβαντικής υπολογιστικής απαιτεί θεμελιώδη έρευνα και πειραματισμό με αυτά και άλλα qubits. Ωστόσο, η κατασκευή υπεραγώγιμων qubits είναι πολύπλοκη και ένα μεγάλο εμπόδιο για τους επιστήμονες είναι το κόστος και οι εξειδικευμένες διαδικασίες που απαιτούνται για την κατασκευή των κυκλωμάτων.

Η αποστολή του SQUILL Foundry

Το SQUILL Foundry δημιουργήθηκε για να αφαιρέσει αυτό το εμπόδιο. Χρηματοδοτούμενο από το Laboratory for Physical Sciences (LPS) Qubit Collaboratory, ένα κέντρο που υποστηρίζεται από την Εθνική Πρωτοβουλία Κβαντικής Τεχνολογίας, το πρόγραμμα προσφέρει τις προηγμένες δυνατότητες κατασκευής του Lincoln Laboratory χωρίς κόστος σε ιδρύματα που εργάζονται σε έρευνα χρηματοδοτούμενη από την κυβέρνηση των Η.Π.Α. Οι ερευνητές μπορούν να υποβάλουν σχέδια κβαντικών κυκλωμάτων για κατασκευή, και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα επιστρέφονται για να προωθήσουν την επιστημονική έρευνα στις εγκαταστάσεις τους.

Δημοκρατικοποίηση της πρόσβασης στην κατασκευή qubit

Η Mollie Schwartz, επικεφαλής ερευνήτρια του έργου, εξηγεί ότι η δημοκρατικοποίηση της πρόσβασης στην αξιόπιστη κατασκευή qubit μειώνει δραματικά το εμπόδιο εισόδου στα υπεραγώγιμα qubits. “Θέλουμε να επιτρέψουμε στους ερευνητές, των οποίων το κύριο ενδιαφέρον δεν είναι τα υλικά και η κατασκευή, να επικεντρωθούν στην προώθηση της έρευνας στα υπεραγώγιμα qubits, και να επιτρέψουμε στην κοινότητα να αξιοποιήσει τις προηγμένες δυνατότητες που έχουμε αναπτύξει,” αναφέρει.

Εμπειρίες από τη χρήση του SQUILL Foundry

Ο καθηγητής David Schuster από το Πανεπιστήμιο του Stanford δηλώνει ότι το SQUILL Foundry επέτρεψε στο εργαστήριό του να εξετάσει πειράματα που δεν θα μπορούσαν να επιχειρήσουν πριν, λόγω της πολυπλοκότητας της νανοκατασκευής. “Έχει επιτρέψει στους νεότερους φοιτητές μου να σχεδιάζουν και να μετρούν σύνθετα κβαντικά κυκλώματα πολύ πιο γρήγορα από ό,τι στο παρελθόν,” λέει ο Schuster.

Η εξειδίκευση στα υπεραγώγιμα qubits

Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των υπεραγώγιμων qubits είναι η δυνατότητα σχεδιασμού τους. Οι δυναμικές και οι αλληλεπιδράσεις τους δεν καθορίζονται από τη φύση, όπως σε ένα φυσικό άτομο, αλλά σχεδιάζονται συνδυάζοντας πυκνωτές, επαγωγείς και συνδέσεις Josephson (ένα είδος υπεραγώγιμου διακόπτη) με δημιουργικούς τρόπους για να δημιουργήσουν το ενεργειακό τοπίο που ενδιαφέρει. Λόγω αυτής της δυνατότητας σχεδιασμού, τα υπεραγώγιμα qubits αντιπροσωπεύουν μια ποικιλία κβαντικών κυκλωμάτων, τα οποία μπορούν να φαίνονται διαφορετικά και να συμπεριφέρονται με μοναδικούς τρόπους.

Η πολυπλοκότητα της κατασκευής

Η προώθηση της τέχνης στα υπεραγώγιμα qubits απαιτεί γνώση σε διάφορους τομείς, όπως υλικά, κατασκευή, σχεδίαση και προσομοίωση κυκλωμάτων, συσκευασία, κρυογονική, μέτρηση χαμηλού θορύβου, διασύνδεση υλικού-λογισμικού και κβαντική σύνταξη. Καθώς η κατανόηση των υλικών και των διαδικασιών έχει προχωρήσει με την πάροδο του χρόνου, η κατασκευή των υψηλότερης ποιότητας qubits βασίζεται όλο και περισσότερο σε εξοπλισμό κατασκευής αξίας εκατομμυρίων δολαρίων και αμέτρητες ώρες ανάπτυξης και διατήρησης διαδικασιών.

Η συγκέντρωση της έρευνας

Η Mollie Schwartz επισημαίνει ότι “έχει γίνει όλο και πιο δύσκολο για μεμονωμένους οργανισμούς να διατηρούν αυτήν την πλήρη σειρά εξειδίκευσης, ιδιαίτερα καθώς τα κυκλώματα γίνονται πιο περίπλοκα στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τη μέτρηση. Ως αποτέλεσμα, η έρευνα στα υπεραγώγιμα qubits έχει παραμείνει συγκεντρωμένη σε σχετικά μικρό αριθμό εργαστηρίων και μεγάλων πανεπιστημίων ικανών να αναπτύξουν και να διατηρήσουν αυτήν την εξειδίκευση.”

Η συμβολή του MIT Lincoln Laboratory

Το MIT Lincoln Laboratory είναι ένα από αυτά τα εργαστήρια, με περισσότερα από 20 χρόνια έρευνας και ανάπτυξης στα υπεραγώγιμα qubits και επιδείξεις παγκοσμίως κορυφαίας απόδοσης qubit. Τα qubits κατασκευάζονται επιτόπου στο Microelectronics Laboratory, που θεωρείται ένα από τα πιο προηγμένα εργοστάσια της κυβέρνησης των Η.Π.Α., και σε εξειδικευμένες εγκαταστάσεις πρωτοτύπων. Η συλλογική εξειδίκευση και ο εξοπλισμός αυτής της εγκατάστασης κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία του SQUILL Foundry.

Από το σχεδιασμό στο τελικό προϊόν

Το SQUILL Found