Quantencomputer, Computersysteme, die Informationen mithilfe quantenmechanischer Effekte verarbeiten, könnten bei einigen Rechenaufgaben klassische Computer übertreffen. Diese Computer basieren auf Qubits, den Grundeinheiten der Quanteninformation, die aufgrund von Quanteneffekten, die als Überlagerung und Verschränkung bekannt sind, in mehreren Zuständen (0, 1 oder beide gleichzeitig) existieren können.
Viele der in den letzten Jahren entwickelten Quantencomputer basieren auf konventionellen Supraleitern, Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen einen elektrischen Widerstand von Null aufweisen. Um zuverlässig zu funktionieren und Supraleitung zu zeigen, müssen Schaltkreise, die auf diesen Materialien basieren, auf Temperaturen im Millikelvinbereich abgekühlt werden.
In Quantencomputern benötigt jedes Qubit typischerweise eine eigene Steuerleitung. Das bedeutet, dass Ingenieure mehrere Drähte einführen müssen, die elektrische Impulse übertragen (also Signalleitungen), und die Anzahl der notwendigen Drähte steigt mit der Anzahl der Qubits. Mit zunehmender Größe von Quantencomputern kann dies problematisch werden, da es schwieriger wird, Prozessoren zu bauen und zuverlässig zu betreiben.
Forscher von Seeqc Inc., einem Unternehmen, das digitale Quantencomputersysteme entwickelt, haben kürzlich einen neuen Quantenprozessor vorgestellt, der zuverlässig und bei Temperaturen im Millikelvin-Bereich arbeiten kann, obwohl er deutlich weniger Verkabelung erfordert. Dieser Prozessor wurde in einem Artikel vorgestellt, der in veröffentlicht wurdeNaturelektronikverfügt über ein einzigartiges Design, bei dem Qubits und ihre Steuerelektronik auf zwei separaten, aber verbundenen supraleitenden Chips integriert sind.
„Die Entwicklung supraleitender Quantencomputerplattformen steht vor erheblichen Skalierungsherausforderungen, da zur Steuerung jedes Qubits individuelle Signalleitungen erforderlich sind“, schreiben Caleb Jorda, Jacob Bernhardt und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. „Dieser Verkabelungsaufwand ist ein Ergebnis des geringen Integrationsgrads zwischen der Steuerelektronik bei Raumtemperatur und den Qubits, die bei Temperaturen im Millikelvin-Bereich arbeiten. Eine vielversprechende Alternative ist die Verwendung kryogener supraleitender digitaler Steuerelektronik, die mit Qubits koexistiert.“
Die Verkabelungsherausforderung meistern
Um die Verkabelungsprobleme zu überwinden, die bisher die Entwicklung größerer-Quantenprozessoren behindert haben, hat dieses Forschungsteam ein neues Multi-Chip-Modul entwickelt. Dieses Modul besteht aus zwei separaten Chips, von denen einer Qubits beherbergt und der andere die Elektronik steuert.
Die Forscher verwendeten speziell Single-Flux-Quantenkontrollelektronik, supraleitende digitale Schaltkreise, die über winzige quantisierte magnetische Signale sehr kurze und präzise elektrische Impulse erzeugen. Der Chip, der diese Schaltkreise beherbergt, wurde mit dem Chip, der supraleitende Schaltkreise enthält, mithilfe eines Ansatzes verbunden, der als Flip-Chip-Bonding bekannt ist.
Bei diesem Ansatz werden die Chips einander gegenüberliegend platziert und dann über mikroskopisch kleine Metallhöcker miteinander verbunden. Das gesamte von Jorda, Bernhardt und ihren Kollegen entwickelte Multi-Chip-Modul arbeitet in einem kryogenen Aufbau, der es auf Temperaturen im Millikelvin-Bereich hält.
„Wir präsentieren eine aktive Quantenprozessoreinheit, in der Qubits und Single{0}}Flux-Quantenkontrollelektronik über Flip-Chip-Bonding in einem einzigen Multi-Chip-Modul integriert sind“, schreiben die Autoren. „Unser System nutzt digitales Demultiplexing, um Steuerimpulse auf mehrere Qubits zu verteilen und so die lineare Skalierung von Steuerleitungen auf die Anzahl der Qubits zu durchbrechen. Mit diesem Ansatz demonstrieren wir Genauigkeiten einzelner-Qubits von über 99 % und bis zu 99,9 %.“
Ein neuer Ansatz zur Hochskalierung von Quantenprozessoren
Der von diesem Forschungsteam entwickelte Quantenprozessor weist gegenüber vielen anderen in der Vergangenheit eingeführten supraleitenden Quantenprozessoren bemerkenswerte Vorteile auf. In ersten Tests wurde festgestellt, dass es eine bemerkenswert gute Leistung erbringt und eine hervorragende Kontrolle über Qubits behält, ohne dass umfangreiche Verkabelungen erforderlich sind.
In Zukunft könnte das neue Design skaliert werden, um größere Quantenprozessoren zu schaffen, die viele zusätzliche Qubits enthalten und so möglicherweise komplexere Rechenprobleme bewältigen können. Darüber hinaus könnte es die Einführung anderer ähnlicher Multi-Chip-Quantenmodule anregen, die zuverlässig funktionieren und einfacher zu skalieren sind.
