Chip Cryo vượt qua trở ngại đối với máy tính lượng tử quy mô lớn

QuTech đã giải quyết được một vấn đề lớn trên con đường hướng tới một máy tính lượng tử quy mô lớn có thể hoạt động được. QuTech, sự hợp tác giữa TU Delft và TNO, và Intel đã thiết kế và chế tạo một mạch tích hợp có thể điều khiển qubit ở nhiệt độ cực thấp. Điều này mở đường cho sự tích hợp quan trọng của qubit và thiết bị điện tử điều khiển của chúng trong cùng một con chip. Các nhà khoa học đã trình bày nghiên cứu của họ trong Hội nghị ISSCC ở San Francisco.

Máy tính lượng tử

“Kết quả này đưa chúng ta đến gần hơn với một máy tính lượng tử quy mô lớn có thể giải quyết các vấn đề mà ngay cả những siêu máy tính mạnh nhất cũng không thể giải quyết được. Giải pháp cho những vấn đề đó có thể tác động mạnh mẽ đến Cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như trong lĩnh vực y học và năng lượng,” trưởng nhóm Fabio Sebastiano từ QuTech và Khoa Kỹ thuật Điện, Toán học và Khoa học Máy tính cho biết.

Nhiệt độ cực đoan

Sebastiano cho biết: “Có nhiều vấn đề cần giải quyết trước khi chúng tôi có một máy tính lượng tử quy mô lớn hoạt động được”. "Các thông tin lượng tử được lưu trữ trong qubit có thể nhanh chóng xuống cấp và không thể sử dụng được trừ khi qubit được làm lạnh xuống nhiệt độ rất gần độ không tuyệt đối (-273 độ C hoặc 0 Kelvin). Vì lý do này, qubit thường hoạt động bên trong các tủ lạnh đặc biệt ở nhiệt độ thấp tới 0,01 K, được điều khiển bởi các thiết bị điện tử thông thường hoạt động ở nhiệt độ phòng.”

Mở rộng quy mô

Cần có một dây để kết nối mỗi qubit với điều khiển thiết bị điện tử. Mặc dù điều này khả thi đối với số lượng qubit nhỏ hiện đang hoạt động, nhưng cách tiếp cận này sẽ trở nên không thực tế đối với hàng triệu qubit cần thiết trong các máy tính lượng tử hữu ích. Sebastiano cho biết: “Nó sẽ tương đương với việc sử dụng camera 12 megapixel trên điện thoại di động của bạn và cố gắng nối từng pixel trong số hàng triệu pixel vào một mạch điện tử riêng biệt”. “Một giải pháp khả thi hơn là vận hành các thiết bị điện tử điều khiển các qubit ở nhiệt độ cực thấp (làm lạnh), để chúng có thể được đặt càng gần các qubit càng tốt.”

sườn ngựa

QuTech đã hợp tác với Intel để giải quyết thách thức chính xác này. Kết quả được gọi là Horse Ridge—một mạch tích hợp được đặt tên theo một trong những điểm lạnh nhất ở Oregon. Sebastiano: “Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo một mạch tích hợp CMOS có thể điều khiển tới 128 qubit, có thể hoạt động ở nhiệt độ 3 K (-270 °C) và do đó có thể được mô tả là mạch cryo-CMOS.”

CMOS (chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung) là công nghệ tương tự được sử dụng cho các bộ vi xử lý tiêu chuẩn. Do đó, việc sử dụng CMOS cho phép chế tạo đáng tin cậy các sản phẩm rất phức tạp. Chu trình bao gồm hàng tỷ linh kiện điện, theo yêu cầu của máy tính lượng tử quy mô lớn.

Mạch tích hợp và qubit

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng thực nghiệm cả hoạt động chính xác của mạch tích hợp và khả năng điều khiển một qubit quay thực sự. Qubit spin là một trong những ứng cử viên qubit đầy hứa hẹn cho máy tính lượng tử quy mô lớn. Sebastiano: “Đây là mạch cryo-CMOS phức tạp nhất từng được trình diễn và là mạch đầu tiên có khả năng điều khiển một vòng quay qubit.”

Một con chip

Thử thách tiếp theo là thu hẹp khoảng cách nhiệt độ còn lại. Sebastiano cho biết: “Qubit spin dự kiến sẽ hoạt động ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ đạt được hiện nay, chẳng hạn như trên 1,5 K”. “Mạch cryo-CMOS của chúng tôi hiện hoạt động ở mức 3 K. Nếu chúng tôi có thể khắc phục điều này nhiệt độ khoảng cách, chúng tôi có thể tích hợp cả qubit và thiết bị điện tử điều khiển của chúng vào cùng một gói hoặc chip, nhờ đó đạt được một hệ thống cực kỳ nhỏ gọn.”