Κβαντικοί Υπολογιστές: Μια Νέα Εποχή στην Υπολογιστική

Η υπόσχεση των κβαντικών υπολογιστών

Οι κβαντικοί υπολογιστές φέρνουν μαζί τους την υπόσχεση να λύσουν προβλήματα τόσο περίπλοκα που ακόμα και οι πιο ισχυροί υπερυπολογιστές του κόσμου θα χρειάζονταν δεκαετίες για να τα αντιμετωπίσουν. Η επίτευξη αυτής της απόδοσης απαιτεί τη δημιουργία ενός συστήματος με εκατομμύρια διασυνδεδεμένα δομικά στοιχεία, γνωστά ως qubits. Η κατασκευή και ο έλεγχος ενός τέτοιου πλήθους qubits αποτελεί τεράστια πρόκληση, την οποία οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να κατακτήσουν.

Η επανάσταση του MIT και της MITRE

Προς αυτήν την κατεύθυνση, ερευνητές από το MIT και τη MITRE έχουν αναπτύξει μια κλιμακούμενη, αρθρωτή πλατφόρμα υλικού που ενσωματώνει χιλιάδες διασυνδεδεμένα qubits σε ένα προσαρμοσμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Αυτή η αρχιτεκτονική, γνωστή ως “quantum-system-on-chip” (QSoC), επιτρέπει στους ερευνητές να ρυθμίζουν και να ελέγχουν με ακρίβεια μια πυκνή διάταξη qubits. Πολλαπλά chips μπορούν να συνδεθούν μέσω οπτικών δικτύων για τη δημιουργία ενός μεγάλου κλίμακας κβαντικού δικτύου επικοινωνίας.

Η καινοτομία της ενσωμάτωσης και της κλιμάκωσης

Η αρχιτεκτονική QSoC επιτρέπει την προτεινόμενη νέα πρωτόκολλο “entanglement multiplexing” για κβαντική υπολογιστική μεγάλης κλίμακας, ρυθμίζοντας τα qubits σε 11 διαφορετικά κανάλια συχνότητας. Η ομάδα πέρασε χρόνια τελειοποιώντας μια πολύπλοκη διαδικασία για την κατασκευή δισδιάστατων πινάκων μικροτσιπ qubit μεγέθους ατόμου και τη μεταφορά χιλιάδων από αυτά σε ένα προσεκτικά προετοιμασμένο CMOS chip. Αυτή η μεταφορά μπορεί να πραγματοποιηθεί σε ένα μόνο βήμα.

Τα διαμαντένια microchiplets

Παρόλο που υπάρχουν πολλοί τύποι qubits, οι ερευνητές επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν κέντρα χρώματος διαμαντιού λόγω των πλεονεκτημάτων τους στην κλιμάκωση. Αυτά τα qubits, γνωστά ως “τεχνητά άτομα”, μεταφέρουν κβαντικές πληροφορίες. Τα κέντρα χρώματος διαμαντιού είναι συμβατά με τις σύγχρονες διαδικασίες κατασκευής ημιαγωγών και προσφέρουν σχετικά μακρές χρονικές περιόδους συνοχής, λόγω του καθαρού περιβάλλοντος που παρέχει το διαμάντι.

Η πρόκληση της ανομοιογένειας

Η συμβατική υπόθεση στον τομέα είναι ότι η ανομοιογένεια των κέντρων χρώματος διαμαντιού αποτελεί μειονέκτημα σε σύγκριση με την ομοιογενή κβαντική μνήμη, όπως ιόντα και ουδέτερα άτομα. Ωστόσο, οι ερευνητές μετατρέπουν αυτήν την πρόκληση σε πλεονέκτημα, αγκαλιάζοντας τη διαφορετικότητα των τεχνητών ατόμων. Κάθε άτομο έχει τη δική του φασματική συχνότητα, επιτρέποντας την επικοινωνία με μεμονωμένα άτομα μέσω ρύθμισης τάσης σε συντονισμό με ένα λέιζερ.

Η κατασκευή και η μεταφορά

Για την κατασκευή του QSoC, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια διαδικασία κατασκευής για τη μεταφορά των microchiplets κέντρων χρώματος διαμαντιού σε ένα CMOS υπόστρωμα σε μεγάλη κλίμακα. Ξεκίνησαν κατασκευάζοντας μια διάταξη microchiplets από ένα συμπαγές μπλοκ διαμαντιού και σχεδίασαν νανοκλίμακες οπτικές κεραίες που επιτρέπουν την πιο αποτελεσματική συλλογή των φωτονίων που εκπέμπονται από αυτά τα qubits.

Η δυναμική ρύθμιση και η μελλοντική εξέλιξη

Με την πλατφόρμα CMOS, οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίζουν γρήγορα και δυναμικά όλες τις συχνότητες των qubits. Η ομάδα απέδειξε μια περιοχή μεταφοράς 500 μικρομέτρων με 1.024 νανοκεραίες διαμαντιού, αλλά μπορούν να χρησιμοποιήσουν μεγαλύτερες διατάξεις διαμαντιού και μεγαλύτερο CMOS chip για περαιτέρω κλιμάκωση του συστήματος.

Η υποστήριξη και οι προοπτικές

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το MITRE Corporation Quantum Moonshot Program, το U.S. National Science Foundation, το U.S. Army Research Office, το Center for Quantum Networks, και το πρόγραμμα Horizon 2020 της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Στο μέλλον, οι ερευνητές θα μπορούσαν να ενισχύσουν την απόδοση του συστήματός τους βελτιώνοντας τα υλικά που χρησιμοποιούν για την κατασκευή των qubits ή αναπτύσσοντας πιο ακριβείς διαδικασίες ελέγχου.

< <