Kwantumcomputers, computersystemen die informatie verwerken met behulp van kwantummechanische effecten, zouden bij sommige rekentaken beter kunnen presteren dan klassieke computers. Deze computers vertrouwen op qubits, de basiseenheden van kwantuminformatie, die in meerdere toestanden kunnen bestaan (0, 1 of beide tegelijk), als gevolg van kwantumeffecten die bekend staan als superpositie en verstrengeling.
Veel van de kwantumcomputers die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld, zijn gebaseerd op conventionele supergeleiders, materialen die bij extreem lage temperaturen een elektrische weerstand van nul vertonen. Om betrouwbaar te kunnen functioneren en supergeleiding te vertonen, moeten circuits op basis van deze materialen worden afgekoeld tot millikelvin-temperaturen.
In kwantumcomputers heeft elke qubit doorgaans een eigen besturingslijn nodig. Dit betekent dat ingenieurs verschillende draden moeten introduceren die elektrische pulsen transporteren (dat wil zeggen signaallijnen), en het aantal benodigde draden neemt toe met het aantal qubits. Naarmate kwantumcomputers groter worden, kan dit problematisch worden, omdat processors steeds moeilijker te bouwen en betrouwbaar te bedienen zijn.
Onderzoekers van Seeqc Inc., een bedrijf dat digitale kwantumcomputersystemen ontwikkelt, hebben onlangs een nieuwe kwantumprocessor geïntroduceerd die betrouwbaar en bij millikelvin-temperaturen kan werken, ondanks dat er aanzienlijk minder bedrading nodig is. Deze processor, geïntroduceerd in een artikel gepubliceerd inNatuurelektronica, heeft een uniek ontwerp waarbij qubits en hun besturingselektronica zijn geïntegreerd op twee afzonderlijke maar verbonden supergeleidende chips.
"De ontwikkeling van supergeleidende kwantumcomputerplatforms wordt geconfronteerd met aanzienlijke schaaluitdagingen omdat individuele signaallijnen nodig zijn om elke qubit te besturen", schreven Caleb Jorda, Jacob Bernhardt en hun collega's in hun paper. "Deze bedradingsoverhead is het gevolg van het lage integratieniveau tussen de besturingselektronica bij kamertemperatuur en de qubits die werken bij millikelvin-temperaturen. Een veelbelovend alternatief is het gebruik van cryogene supergeleidende digitale besturingselektronica die naast qubits bestaat."
De bedradingsuitdaging overwinnen
Om de bedradingsproblemen op te lossen die tot nu toe de ontwikkeling van kwantumprocessors op grotere -schaal hebben belemmerd, heeft dit onderzoeksteam een nieuwe multi-chipmodule ontworpen. Deze module bestaat uit twee afzonderlijke chips, waarvan één de qubits host en de andere besturingselektronica.
De onderzoekers maakten specifiek gebruik van single-flux-kwantumbesturingselektronica, supergeleidende digitale circuits die zeer korte en nauwkeurige elektrische pulsen genereren via kleine gekwantiseerde magnetische signalen. De chip die deze circuits host, werd verbonden met de chip die supergeleidende circuits bevat met behulp van een aanpak die bekend staat als flip-chip bonding.
Deze aanpak houdt in dat de chips met de voorkant naar elkaar toe-tegen- worden geplaatst en vervolgens met elkaar worden verbonden via microscopisch kleine metalen bultjes. De hele multi{3}}chipmodule, ontwikkeld door Jorda, Bernhardt en hun collega's, werkt in een cryogene opstelling die de temperatuur op millikelvin-temperaturen houdt.
"We presenteren een actieve kwantumprocessoreenheid waarin qubits en single{0}}flux-kwantumbesturingselektronica worden geïntegreerd in een enkele multi-chipmodule via flip-chip-bonding", schreven de auteurs. "Ons systeem maakt gebruik van digitale demultiplexing om controlepulsen over verschillende qubits te verdelen, waardoor de lineaire schaling van controlelijnen naar het aantal qubits wordt doorbroken. Met deze aanpak demonstreren we single-qubit-getrouwheden boven 99% en tot 99,9%."
Een nieuwe aanpak om kwantumprocessors op te schalen
De door dit onderzoeksteam ontworpen kwantumprocessor heeft opmerkelijke voordelen ten opzichte van veel andere supergeleidende kwantumprocessors die in het verleden zijn geïntroduceerd. Uit de eerste tests bleek dat het opmerkelijk goed presteerde, waarbij uitstekende controle over qubits behouden bleef zonder dat er uitgebreide bedrading nodig was.
In de toekomst zou het nieuwe ontwerp kunnen worden opgeschaald om grotere kwantumprocessors te creëren die veel extra qubits bevatten en zo mogelijk complexere rekenproblemen kunnen aanpakken. Bovendien zou het kunnen inspireren tot de introductie van andere soortgelijke multi{1}}kwantummodules met meerdere chips die betrouwbaar werken en gemakkelijker op te schalen zijn.
