Kryo-Chip überwindet Hindernis für groß angelegte Quantencomputer

QuTech hat ein großes Problem auf dem Weg zu einem funktionierenden Quantencomputer im großen Maßstab gelöst. QuTech, eine Zusammenarbeit der TU Delft und TNO, und Intel haben einen integrierten Schaltkreis entworfen und hergestellt, der Qubits bei extrem niedrigen Temperaturen steuern kann. Dies ebnet den Weg für die entscheidende Integration von Qubits und ihrer Steuerelektronik im selben Chip. Die Wissenschaftler haben ihre Forschung während der ISSCC-Konferenz in San Francisco vorgestellt.

Quantencomputer

„Dieses Ergebnis bringt uns einem großen Quantencomputer näher, der Probleme lösen kann, die selbst die leistungsstärksten Supercomputer nicht lösen können.“ Lösungen für diese Probleme können einen starken Einfluss haben Alltagsleben, zum Beispiel in den Bereichen Medizin und Energie“, sagte Teamleiter Fabio Sebastiano von QuTech und der Fakultät für Elektrotechnik, Mathematik und Informatik.

Extreme Temperaturen

„Es müssen viele Probleme gelöst werden, bevor wir einen funktionierenden Quantencomputer im großen Maßstab haben“, sagte Sebastiano. "Der Quanteninformation In Qubits gespeicherte Daten können sich schnell zersetzen und unbrauchbar werden, es sei denn, die Qubits werden auf Temperaturen sehr nahe am absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius oder 0 Kelvin) abgekühlt. Aus diesem Grund arbeiten Qubits typischerweise in speziellen Kühlschränken bei Temperaturen von nur 0,01 K, gesteuert durch herkömmliche Elektronik, die bei Raumtemperatur arbeitet.“

Hochskalieren

Um jedes Qubit mit dem zu verbinden, ist ein Draht erforderlich Steuerelektronik. Während dies für die geringe Anzahl von Qubits, die derzeit in Betrieb sind, machbar ist, wird der Ansatz für die Millionen von Qubits, die in nützlichen Quantencomputern benötigt werden, unpraktisch. „Das wäre so, als würde man die 12-Megapixel-Kamera eines Mobiltelefons nehmen und versuchen, jedes der Millionen Pixel einzeln mit einem separaten elektronischen Schaltkreis zu verbinden“, sagte Sebastiano. „Eine praktikablere Lösung besteht darin, die Elektronik zur Steuerung der Qubits bei extrem niedrigen (kryogenen) Temperaturen zu betreiben, damit sie so nah wie möglich an den Qubits platziert werden können.“

Pferderücken

QuTech hat sich mit Intel zusammengetan, um genau diese Herausforderung anzugehen. Das Ergebnis heißt Horse Ridge – ein integrierter Schaltkreis, benannt nach einem der kältesten Orte in Oregon. Sebastiano: „Wir haben einen integrierten CMOS-Schaltkreis entworfen und hergestellt, der bis zu 128 Qubits steuern kann, der bei 3 K (-270 °C) betrieben werden kann und daher als Kryo-CMOS-Schaltkreis bezeichnet werden kann.“

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist die gleiche Technologie, die auch für Standard-Mikroprozessoren verwendet wird. Der Einsatz von CMOS ermöglicht daher die zuverlässige Herstellung sehr komplexer Schaltkreise bestehend aus Milliarden elektrischer Komponenten, wie sie für große Quantencomputer benötigt werden.

Integrierter Schaltkreis und Qubit

Die Forscher demonstrierten experimentell sowohl den ordnungsgemäßen Betrieb des integrierten Schaltkreises als auch die Fähigkeit, ein echtes Spin-Qubit anzutreiben. Spin-Qubits gehören zu den vielversprechenden Qubit-Kandidaten für einen Quantencomputer im großen Maßstab. Sebastiano: „Dies ist die komplexeste Kryo-CMOS-Schaltung, die jemals gezeigt wurde, und die erste, die einen Spin antreiben kann.“ Qubit.”

Ein Chip

Die nächste Herausforderung besteht darin, die verbleibende Temperaturlücke zu schließen. „Es wird erwartet, dass Spin-Qubits bei etwas höheren Temperaturen funktionieren, als derzeit erreicht werden, beispielsweise über 1,5 K“, sagte Sebastiano. „Unsere Kryo-CMOS-Schaltung arbeitet jetzt bei 3 K. Wenn wir das überbrücken können Temperatur Durch diese Lücke könnten wir beide Qubits und ihre Steuerelektronik in dasselbe Gehäuse oder denselben Chip integrieren und so ein äußerst kompaktes System erreichen.“