2022-08-21 13:30

聪明的布线架构使量子计算机更大更好

Complex Circuitry Concept

连接可伸缩量子计算的新路径

去年,谷歌制造了一个53量子比特的量子计算机,它执行特定计算的速度比世界上最快的超级计算机快得多。和当今大多数最大的量子计算机一样,这个系统拥有数十个量子比特——比特的量子对等物,用于在传统计算机中编码信息。

为了制造更大、更有用的系统,今天的大多数原型都必须克服稳定性和可伸缩性的挑战。后者将需要增加信号和布线的密度,这是很难做到不降低系统的稳定性。我相信,在过去三年中,日本理化研究所超导量子电子研究团队与其他研究所合作开发的一种新的电路布线方案,为在未来十年内扩大到100个或更多的量子比特打开了大门。在这里,我将讨论如何。

Integrated Superco<em></em>nducting Qubits Schematic

这张集成超导量子比特及其封装的示意图显示,量子比特是绿色的带环的点,这些环被放置在硅芯片上(红色部分)。芯片上有许多孔,它们以电的方式连接上下表面。上面的蓝色导线是读出量子位的电路元件。同轴接线(带有镀金弹簧引脚)连接到芯片的背面,这些接线控制和读取量子位。信贷:Yutaka Tabuchi

挑战一:可伸缩性

量子计算机利用基于量子力学原理的微妙而复杂的相互作用来处理信息。为了进一步解释这一点,我们必须了解量子比特。量子计算机是由单独的量子位组成的,它类似于传统计算机中使用的二进制位。但与比特的零或一种二进制状态不同,量子比特需要保持一个非常脆弱的量子状态。量子比特不仅仅是0或1,它还可以处于一种被称为叠加的状态——它们在某种程度上同时处于0和1的状态。这使得基于量子比特的量子计算机可以针对每一种可能的逻辑状态(0或1)并行处理数据,因此,对于特定类型的问题,它们可以比基于比特的传统计算机执行更高效、更快的计算。

然而,创造量子比特要比传统比特困难得多,而且需要完全控制电路的量子力学行为。科学家们想出了一些可靠的方法来做到这一点。在日本理化研究所,一种带有约瑟夫森结元素的超导电路被用来制造一种有用的量子力学效应。通过这种方式,量子比特现在可以用半导体行业常用的纳米制造技术可靠地重复生产。

可扩展性的挑战来自于这样一个事实:每个量子比特都需要布线和连接,以最小的串扰产生控制和读出。当我们经过微小的2乘2或4乘4的量子比特阵列时,我们已经意识到相关的布线可以有多么密集,我们必须创造更好的系统和制造方法,以避免我们的线交叉,真的。

在日本物理研究所,我们使用自己的布线方案构建了一个四乘四的量子比特阵列,与每个量子比特的连接是从芯片的背面垂直连接的,而不是其他团队使用的单独的“倒装芯片”接口,将布线板连接到量子芯片的边缘。这涉及到一些复杂的制造过程,在硅芯片上密集排列超导孔(电子连接),但它应该能让我们扩大到更大的设备。我们的团队正在研究64量子比特设备,我们希望在未来三年内实现。接下来的五年内,作为国家资助的研究项目的一部分,100个量子比特的设备将会问世。这个平台最终将允许多达1000个量子比特集成在一个芯片上。

挑战二:稳定

量子计算机面临的另一个主要挑战是,如何处理量子比特在受到波动或外部压力(如温度)干扰时的内在脆弱性。为了让量子比特发挥作用,它需要保持在量子叠加或“量子相干”的状态。在超导量子位的早期,我们可以让这种状态只持续纳秒。现在,通过将量子计算机冷却到低温,并创建其他几种环境控制,我们可以在100微秒内保持一致性。在相干性消失之前,几百微秒的时间就能让我们平均执行几千个信息处理操作。

理论上,我们可以处理不稳定性的一种方法是使用量子纠错,我们利用几个物理量子位来编码一个“逻辑量子位”,并应用纠错协议,可以诊断和修复错误,以保护逻辑量子位。但由于许多原因,实现这一点仍然很遥远,尤其是可伸缩性问题。

量子电路

自20世纪90年代以来,那时量子计算还没有成为一件大事。刚开始的时候,我对我的团队能否在电路中创造和测量量子叠加态很感兴趣。当时,电路作为一个整体是否能在量子力学上表现出来,这一点都不明显。为了在电路中实现稳定的量子位,并在电路中产生开关态,电路还需要能够支持叠加态。

我们最终想出了使用超导电路的主意。超导态没有所有的电阻和损耗,因此它是流线型的,以响应微小的量子力学效应。为了测试这个电路,我们使用了一个由铝制成的微型超导岛,它通过约瑟夫森结(一个被纳米厚的绝缘屏障隔开的结)连接到一个更大的超导接地电极上,我们捕获了超导电子对,它们穿过结形成隧道。由于铝岛很小,由于负电荷对之间的库仑封锁效应,它最多可以容纳一个多余的电子对。岛上的零或一个多余对的状态可以用作量子位的状态。量子力学隧道保持了量子比特的相干性,并允许我们创造一个叠加态,这是完全由微波脉冲控制的。

混合动力系统

由于其非常微妙的性质,量子计算机在不久的将来不太可能在家庭中使用。然而,由于认识到面向研究的量子计算机的巨大好处,像谷歌和IBM这样的工业巨头,以及世界各地的许多初创公司和学术机构,都越来越多地投资于研究。

完全纠错的商业量子计算平台可能还需要十多年的时间,但最先进的技术发展已经为新的科学和应用带来了可能。规模较小的量子电路已经在实验室中完成了一些有用的任务。

例如,我们将我们的超导量子电路平台与其他量子力学系统结合使用。这种混合量子系统使我们能够以前所未有的灵敏度,在集体激发中测量单个量子反应——比如磁铁中电子自旋的进动,衬底中的晶格振动,或者电路中的电磁场。这些测量应该会促进我们对量子物理以及量子计算的理解。我们的系统也足够敏感,可以测量微波频率下的单个光子,其能量比可见光光子大约低五个数量级,而不会吸收或破坏它。希望这将成为连接遥远的量子比特模块和其他东西的量子网络的基石。

量子网络

将超导量子计算机连接到光量子通信网络是我们的混合系统未来的另一个挑战。这一技术的开发是为了在未来实现通过光学线路连接的量子互联网,让人想起今天的互联网。然而,即使是一个通信波长的红外光子也不能直接命中超导量子比特而不干扰量子信息,因此必须仔细设计。我们目前正在研究混合量子系统,通过其他量子系统,比如一个包含微小声振荡器的量子系统,将量子信号从超导量子比特转换到红外光子,反之亦然。

尽管有许多复杂的问题需要克服,但科学家们可以看到一个由量子计算机增强的未来正在地平线上。事实上,量子科学每天都在我们手中。如果没有对半导体中电子的性质的正确理解,晶体管和激光二极管将永远不会被发明出来,这完全是基于对量子力学的理解。因此,通过智能手机和互联网,我们已经完全依赖量子力学,未来我们只会变得更加依赖。

参考文献

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