Máy tính lượng tử, hệ thống máy tính xử lý thông tin bằng các hiệu ứng cơ học lượng tử, có thể vượt trội hơn máy tính cổ điển trong một số nhiệm vụ tính toán. Những máy tính này hoạt động dựa trên qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, có thể tồn tại ở nhiều trạng thái (0, 1 hoặc cả hai cùng lúc), do các hiệu ứng lượng tử được gọi là chồng chập và vướng víu.
Nhiều máy tính lượng tử được phát triển trong những năm gần đây dựa trên chất siêu dẫn thông thường, những vật liệu có điện trở bằng 0 ở nhiệt độ cực thấp. Để hoạt động đáng tin cậy và thể hiện tính siêu dẫn, các mạch làm từ những vật liệu này cần được làm lạnh xuống nhiệt độ milikelvin.
Trong máy tính lượng tử, mỗi qubit thường yêu cầu dòng điều khiển riêng. Điều này có nghĩa là các kỹ sư cần giới thiệu một số dây mang xung điện (tức là đường tín hiệu) và số lượng dây cần thiết tăng theo số lượng qubit. Khi máy tính lượng tử ngày càng lớn hơn, điều này có thể gây ra vấn đề vì bộ xử lý trở nên khó chế tạo và vận hành đáng tin cậy hơn.
Các nhà nghiên cứu tại Seeqc Inc., một công ty phát triển hệ thống điện toán lượng tử kỹ thuật số, gần đây đã giới thiệu một bộ xử lý lượng tử mới có thể hoạt động đáng tin cậy và ở nhiệt độ milikelvin, mặc dù yêu cầu nối dây ít hơn đáng kể. Bộ xử lý này, được giới thiệu trong một bài báo xuất bản nămĐiện tử tự nhiên, có thiết kế độc đáo trong đó qubit và thiết bị điện tử điều khiển của chúng được tích hợp trên hai chip siêu dẫn riêng biệt nhưng được kết nối với nhau.
Caleb Jorda, Jacob Bernhardt và các đồng nghiệp của họ viết trong bài báo: “Sự phát triển của các nền tảng điện toán lượng tử siêu dẫn phải đối mặt với những thách thức mở rộng đáng kể vì cần có các đường tín hiệu riêng lẻ để kiểm soát từng qubit”. “Chi phí hoạt động của hệ thống dây điện này là kết quả của mức độ tích hợp thấp giữa các thiết bị điện tử điều khiển ở nhiệt độ phòng và các qubit hoạt động ở nhiệt độ milikelvin. Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn là sử dụng các thiết bị điện tử điều khiển kỹ thuật số siêu dẫn đông lạnh cùng tồn tại với các qubit.”
Vượt qua thử thách nối dây
Để khắc phục các vấn đề về hệ thống dây điện cho đến nay vẫn cản trở sự phát triển của bộ xử lý lượng tử-quy mô lớn hơn, nhóm nghiên cứu này đã thiết kế một mô-đun nhiều-chip mới. Mô-đun này bao gồm hai chip riêng biệt, một chip lưu trữ qubit và chip điều khiển còn lại.
Các nhà nghiên cứu đặc biệt sử dụng-các thiết bị điện tử điều khiển lượng tử dòng đơn, các mạch kỹ thuật số siêu dẫn tạo ra các xung điện rất ngắn và chính xác thông qua các tín hiệu từ lượng tử cực nhỏ. Con chip lưu trữ các mạch này được kết nối với con chip chứa các mạch siêu dẫn bằng cách sử dụng phương pháp được gọi là liên kết chip lật.
Cách tiếp cận này đòi hỏi phải đặt các chip mặt đối mặt và sau đó liên kết chúng thông qua các va chạm kim loại cực nhỏ. Toàn bộ mô-đun đa chip do Jorda, Bernhardt và các đồng nghiệp của họ phát triển hoạt động bên trong một thiết lập đông lạnh duy trì nhiệt độ milikelvin.
Các tác giả viết: "Chúng tôi trình bày một bộ xử lý lượng tử đang hoạt động, trong đó các qubit và thiết bị điện tử điều khiển lượng tử-thông lượng đơn được tích hợp vào một mô-đun nhiều-chip duy nhất thông qua liên kết chip lật-”. "Hệ thống của chúng tôi sử dụng tính năng phân kênh kỹ thuật số để phân phối các xung điều khiển đến một số qubit, do đó phá vỡ tỷ lệ tuyến tính của các đường điều khiển thành số lượng qubit. Với phương pháp này, chúng tôi chứng minh độ chính xác của một qubit-qubit đơn trên 99% và lên tới 99,9%."
Một cách tiếp cận mới cho bộ xử lý lượng tử cao cấp
Bộ xử lý lượng tử do nhóm nghiên cứu này thiết kế có những ưu điểm đáng chú ý so với nhiều bộ xử lý lượng tử siêu dẫn khác được giới thiệu trước đây. Trong các thử nghiệm ban đầu, người ta nhận thấy nó hoạt động rất tốt, duy trì khả năng kiểm soát tuyệt vời đối với các qubit mà không cần nối dây rộng rãi.
Trong tương lai, thiết kế mới có thể được mở rộng quy mô để tạo ra các bộ xử lý lượng tử lớn hơn chứa nhiều qubit bổ sung và do đó có khả năng giải quyết các vấn đề tính toán phức tạp hơn. Ngoài ra, nó có thể truyền cảm hứng cho việc giới thiệu các mô-đun lượng tử đa chip tương tự khác hoạt động đáng tin cậy và dễ dàng nâng cấp hơn.
