Квантов пробив: Учени са накарали цифров контролер, да работи при температура, близка до абсолютната нула

Учени от Университета в Сидни са разработили контролер за спин кюбити, който може да работи при температури от няколко миликелвина, което е близо до абсолютната нула (-273,15°C), когато вибрациите на атомите са почти отслабени. Разработката ще позволи контролерът да бъде поставен до свръхпроводящите кюбити, които управлява, което ще улесни мащабирането на квантовите компютри до стотици хиляди или милиони кюбити.

Един съвременен квантов компютър, базиран на свръхпроводящи кюбити е немислим без многото кабели, които излизат от криогенната камера, съдържаща кюбитите. Последните трябва да бъдат охладени до температура, близка до абсолютната нула, така че квантовите им състояния да не се нарушават по време на изпълнението на програмата – това намалява смущенията и ефектите от шума. Електрониката, която контролира кюбитите обаче не може да бъде поставена в криогенна камера, защото просто ще откаже да работи. Управляващите полупроводници ще загубят своята производителност, затова трябва да се използват много кабели. Освен това електрониката генерира топлина, която ще разруши квантовите състояния на кюбитите, ако се намира в близост до тях.

Заплетените и многобройни кабели затрудняват мащабирането на свръхпроводящите кюбитови компютри, следователно проблемът с преместването на управляващата електроника в кюбитовата камера е проблем с мащабирането. Intel успя да създаде контролери, които могат да издържат на охлаждане малко под 4 келвина, но това не е достатъчно. Американската компания SEEQC (Superconducting Energy Efficient Quantum Computing) отиде по-далеч от всички останали, като през 2023 година съобщи за разработването на CMOS контролер, способен да работи при охлаждане до 20 миликелвина, което беше значителен резултат. Учените от Австралия не посочват точните температури, които са успели да постигнат, но според тях става въпрос за няколко миликелвина.

Разработката се оказва толкова обещаваща, че въз основа на нея професорите от университета в Сидни създават едновременно три стартъпа: Uniii, Emergence Quantum и Diraq.

Всички те ще комерсиализират технологията, за да произвеждат свръхустойчиви на охлаждане CMOS контролери за управление на свръхпроводящи кюбити. По-конкретно става дума за спинови кюбити, които използват един електрон като квантов бит и контролират неговия спин.

По същество те са обикновени транзистори, които използват един-единствен електрон в канала. На всеки квадратен сантиметър могат да бъдат направени един милиард такива транзистори – и това може да бъде мащабирано до невъобразими граници. Но при управлението на такъв масив от кюбити всичко се свежда до снопове кабели. Така че се връщаме към преместването на електрониката за управление вътре в криогенната система. Както твърдят австралийците, те вече имат решение.

Нещо повече, в статия, публикувана в списание Nature, изследователите показват, че техният CMOS контролер не само работи при охлаждане до няколко миликелвина, но и генерира изключително малко топлина – само 20 nW/MHz.

Като използват за пример платформа с един кюбит и два кюбита, те демонстрират, че поставянето на контролера на 3 милиметра от квантовия процесор не влияе на кюбитите. Времето за кохерентност остава приблизително същото както с вътрешен контролер, който консумира 10 µW, така и с външен контролер, контролиращ кюбитите чрез кабели.

„Това дава надежда, че кюбитите наистина могат да бъдат контролирани в голям мащаб, интегрирайки сложна електроника в работни условия при криогенни температури. Нашата статия показва, че при внимателно проектиране на системата за управление е малко вероятно крехките кюбити да забележат превключването на транзистори в чип, намиращ се на разстояние по-малко от милиметър.“

заключават авторите на статията