Imec сообщает о прогрессе в области квантовых вычислений

Imec сообщила о прогрессе в области квантовых вычислений. По словам Imec, долгосрочное видение квантовых вычислений — это возможность использовать миллионы бесшумных кубитов для решения избранных проблем, которые трудно решить с помощью классических компьютеров.

Во всем мире продолжаются усилия по увеличению количества кубитов от сотен до миллионов. Общие проблемы включают в себя хорошо контролируемую интеграцию кубитов в предприятиях по производству пластин большого размера и необходимость взаимодействия электроники с растущим числом кубитов.

Сверхпроводящие квантовые схемы стали, пожалуй, самой развитой платформой. Энергетическим состоянием сверхпроводящих кубитов относительно легко управлять, и исследователям удалось соединить вместе более сотни кубитов.

Это обеспечивает еще более высокий уровень запутанности — один из столпов квантовых вычислений. Кроме того, в лабораторных условиях по всему миру были продемонстрированы сверхпроводящие кубиты с длительным временем когерентности (до нескольких 100 мкс) и достаточно высокой точностью вентиля — два важных эталона для квантовых вычислений.

В 2022 году исследователи imec достигли важной вехи на пути к реализации 300-мм КМОП-процесса для изготовления высококачественных сверхпроводящих кубитов. Демонстрация того, что высокопроизводительное производство кубитов совместимо с промышленными процессами, устраняет первый фундаментальный барьер на пути масштабирования, то есть повышение вариативности и производительности. Среди остающихся проблем — необходимость разработки масштабируемого оборудования для взаимодействия с растущим числом чувствительных к шуму сверхпроводящих кубитов.

В долгосрочной перспективе многого ожидают от кубитов на основе Si-спина. Si-спиновые кубиты сложнее контролировать, чем сверхпроводящие кубиты, но они значительно меньше (размер нанометров по сравнению с размером в миллиметрах), что дает преимущество для масштабирования.

Кроме того, эта технология хорошо совместима с технологиями производства КМОП, обеспечивая однородность в масштабе пластины с усовершенствованным внутренним соединением структур кремниевых квантовых точек.

Однако структуры с квантовыми точками на основе Si, изготовленные с использованием промышленных технологий, обычно демонстрируют более высокий зарядовый шум. Их небольшой физический размер также усложняет взаимодействие кубит-кубит и кубит-классический контроль.

Столь необходимое увеличение количества кубитов требует универсальных и масштабируемых решений для управления ими и считывания значимых результатов. Сегодня в ранних квантовых процессорах используются внешние электронные схемы, по крайней мере, с одной линией управления на каждый кубит, идущей от ступени комнатной температуры до ступени с самой низкой температурой холодильника разбавления, в котором хранятся кубиты.

Эта базовая температура для сверхпроводящих квантовых вычислительных систем составляет всего десять милликельвинов (мК). Такой подход можно использовать для нескольких тысяч кубитов, но он не может быть реализован для крупномасштабных квантовых компьютеров, которым требуются операции с динамическими схемами, такие как квантовая коррекция ошибок.

Линии управления и считывания не только создают огромное узкое место ввода-вывода на уровне холодильника разбавления, но и каждый провод также передает тепло в криогенную систему, не оставляя средств на их охлаждение.

Привлекательным решением является использование криоэлектроники на основе КМОП, которая удерживает элементы RF (де-) мультиплексирования, работающие при базовой температуре холодильника разбавления. Такое решение устраняет узкие места ввода-вывода, поскольку количество проводов, идущих от комнатной температуры до температуры мК, может быть значительно уменьшено.

Например, для считывания мультиплексоры позволят переключать несколько сигналов от группы квантовых устройств на общую выходную линию при базовой температуре холодильника для разбавления перед тем, как покинуть холодильник.

Этот подход уже был продемонстрирован для квантовых систем спинового кубита Si. Однако до сих пор криогенная электроника не была сопряжена со сверхпроводящими кубитами из-за их существенно меньшей устойчивости к высокочастотным электромагнитным шумам. Будь то рассеянное тепло или электромагнитное излучение, шум может легко разрушить хрупкие квантовые суперпозиции и привести к ошибкам.