Genel Amaçlı Kuantum Bilgisayarlarda İlerleme

Kuantum hesaplamayı, ezoterik bir araştırma aracından ticari olarak uygulanabilir, genel amaçlı bir makineye dönüştürmek için ölçeklendirme yarışı sürüyor.

Özel amaçlı kuantum bilgisayarlar birkaç yıldır piyasada. D-Wave gibi sistemler avantaj kuantum sistemleri olarak modellemeye uygun belirli problem sınıflarına odaklanın. Yine de, genel amaçlı bir kuantum bilgisayara sahip olmanın nihai hedefi belirsizliğini koruyor.

2000 yılında ufuk açıcı kâğıt Fizikçi David DiVincenzo tarafından, daha sonra IBM'de, pratik bir kuantum bilgisayar için kriterleri sıraladı. diğerleri arasında gereksinimleri:

• İlgilenilen kuantum durumu kararlı olmalıdır. Yani, hesaplamayı gerçekten yapacak kadar uzun süre muhafaza etmek mümkün olmalıdır.
• Kullanılan qubit teknolojisi ölçeklenebilir olmalıdır. Çok sayıda özdeş kübit oluşturmak ve bunlar arasında bilgi yaymak mümkün olmalıdır. Özellikle, kübitler, kuantum durumlarının süperpozisyonlarını korurken mesafeler boyunca etkileşime girebilmelidir.
• Kuantum durumunu tek bir ölçüme düşürmeden manipüle eden bir dizi işlem mevcut olmalıdır.
• Hesaplamanın başında kübitlerin başlangıç ​​durumunu tanımlamak ve sonunda sonucu ölçmek mümkün olmalıdır.

Ancak 20 yıldan uzun bir süre sonra, DiVincenzo Kriterleri olarak bilinenleri karşılayan sistemler henüz ortaya çıkmadı. Teknolojinin şu anki durumu, CalTech'te teorik fizik profesörü olan John Preskill'in yaptığı şeydir. tarif edilen "gürültülü orta ölçekli kuantum (NISQ) teknolojisi - 50 ila 100 kübit ve sınırlı hata düzeltme yeteneklerine sahip sistemler" olarak.

Preskill, NISQ sistemlerini önemli araştırma araçları olarak övdü. Geleneksel dijital bilgisayarlardan daha karmaşık kuantum sistemlerini simüle edebilirler, ancak bu tür cihazların ticari uygulanabilirliği belirsizdir. Bunun yerine, kuantum hesaplamanın geleceği, genel amaçlı, geçit tabanlı, Turing-tam kuantum bilgisayar Böyle bir sistem, her şeyden önce, çok sayıda özdeş kübiti dolaştırma ve bu tutarlılığı hesaplamaları yapacak kadar uzun süre muhafaza etme yeteneğine ihtiyaç duyar.

Teorik olarak, bir kuantum süperpozisyonu, bir veya daha fazla kuantum parçacığının eşzamanlı olarak tüm potansiyel durumları işgal ettiği ve olasılık dağılımı ile tanımlanan bir yapıdır. Schrödinger denklemi sistem için. Sistemi ölçmek, onu tek bir değer almaya zorlar ve süperpozisyonu "çökertir". Kuantum hesaplamada bu sonuç istenen cevaptır.

Şekil 1: Sinyalleri kübitlere almak için kullanılan optik fiberi gösteren oklu kuantum bilgisayar. Kaynak: NIST

Gürültü ve hata oranlarını yönetme
Ne yazık ki, kübitler ve çevreleyen sistem arasındaki birçok farklı etkileşim, kuantum durumu açısından “ölçüm” görevi görür. Dikkatle kontrol edilen kübit durumları ile çevreleyen malzemenin göreceli düzensizliği arasındaki etkileşim iyi anlaşılmamıştır. Yine de, diğer şeylerin yanı sıra elektriksel gürültü ve kafes titreşimlerinin tutarlılık süresini azaltabileceği açıktır.

Gürültü ve tutarlılık süresi arasındaki bağlantı bir ödünleşim dayatır. Imec'te kuantum ve keşifsel hesaplama direktörü Iuliana Radu, bir sistemin gürültü toleransının, kübitin iki durumu arasındaki enerji ayrımına bağlı olduğunu açıkladı. Düşük ayırma, kübitleri başlatmak için gereken enerji miktarını azaltır, ancak aynı zamanda gürültü toleransını da azaltır. Bu nedenle Josephson bağlantıları, silikon spin kübitleri ve benzeri tasarımlar, mutlak sıfırın hemen üzerindeki milliKelvin sıcaklıklarında çalışır.

Şekil 2: Imec'in tamamen silikonlu kübiti. Kaynak: imec

Ayrıca, RIKEN Kuantum Hesaplama Merkezi'nde süper iletken kuantum devre grubunun grup lideri olan Yutaka Tabuchi, ünlü bu yazki VLSI Teknoloji Sempozyumunda, kübitlerin voltaj eşiği olmadığını söyledi. Dijital transistörler, onu açmak için bir transistörün eşik voltajını aşma ihtiyacı nedeniyle gürültüden bir şekilde korunur. Ancak kuantum sistemlerindeki gürültünün, bir hesaplamanın sonucunu değiştirmek için gerçekte bir elektron dönüşünü çevirmesi gerekmez.

Uygun kuantum durumları sunan herhangi bir sistem, teorik olarak bir kuantum bilgisayarın temeli olarak hizmet edebilir. Bununla birlikte, pratikte, entegre devre endüstrisinin çok sayıda neredeyse aynı, nanometre ölçekli eleman üretme yeteneği, yarı iletken kuantum noktalarını lider bir rakip haline getirdi. Özellikle silikon kuantum noktaları, bu yılki VLSI Teknoloji Sempozyumundaki birkaç makalenin odak noktasıydı. Silisyum ilgi çekicidir çünkü III-V yarı iletkenlerinden farklı olarak en yaygın izotopu, ²⁸Si, nükleer spini yoktur. MRS Bülteninde, UCLA'da elektrik ve bilgisayar mühendisliği yardımcı profesörü Mark Gyure ve meslektaşları açıkladı nükleer spinler, sınırlı bir elektronun spini ile etkileşime girerek tutarlılık süresini bozabilir. ²⁹Si, doğal silisyumun yaklaşık %4.7'sini oluşturur ve 1/2 nükleer dönüşe sahiptir. Gibi Daha önce bildirilen, Intel, izotopik olarak saf silikondan yapılan kübitlerde iyileştirilmiş tutarlılık süreleri göstermiştir.

VLSI Teknoloji Sempozyumunda, araştırmacı NI Dumoulin Stuyck ve Imec ve KU Leuven'deki meslektaşları gösterdi Tek ve çift kuantum nokta kübitleri ile birlikte, şarj algılama yoluyla kübit okuması için tek elektron transistörlerinin kullanılması. Kübitleri başlatmak için elektron spin rezonansı kullanan yaklaşımları, 580 Tesla alanı kullanarak 0.4 ms'ye kadar bir ömre sahip bitişik noktalar arasında tekrarlanabilir tünel eşleşmesi sağladı. Çalışmaları, kriyojenik sıcaklıklarda ciddi bir sorun olan termal genleşme uyumsuzluğunu en aza indirgemek için polisilikon kapıların kullanımı için de dikkate değerdi.

Tayvan Ulusal Yang Ming Chiao Tung Üniversitesi'nde doçent olan I-Hsiang Wang ve meslektaşları açıkladı kuantum noktasını tanımlamanın iki yolu vardır. Tamamen tükenmiş yalıtkan üzerinde silikon gofretler gibi iyi izolasyon özelliklerine sahip bir substrat, kuantum kuyuları arasında fiziksel bir bariyer oluşturmak için litografik desenlemeyi kullanabilir. Bu güçlü sınırlama, gürültüyü azaltmaya yardımcı olur, ancak elektrotları tek tek kübitler için hizalamak zordur. Alternatif olarak, kendinden hizalı bir kapı elektrotu, her bir kuantum noktasının etrafındaki tünel bariyerini yükseltebilir ve alçaltabilir. Bu yaklaşım çok sayıda elektrot gerektirir ve nispeten zayıf elektron hapsi gürültü duyarlılığını artırır. Bu grup, SiGe sütunlarının seçici oksidasyonu ve Ostwald olgunlaşması ile Ge kuantum noktaları yaptı. Çünkü SiO'nun büyümesi₂ GeO'ya göre enerjik olarak elverişlidir₂Orijinal SiGe sütunundaki germanyum fraksiyonu, kuantum noktalarının boyutunu ayarlamak için ayarlanabilir.

Japon AIST Enstitüsü'nden araştırmacı Shota Iizuka ve meslektaşları, kübit ve başlatma mıknatısı arasındaki ayrımın azaltılması, silikon kübitler elektron dönüşlerini başlatmak ve manipüle etmek için manyetik alanlar kullandığında etkili alanı artırır. açıkladı. Geleneksel entegrasyonda, mıknatıs, ikisi arasındaki ayrımı artıran kübitin üzerindedir. Ayrıca, mıknatıs boyutlarındaki değişkenlik, kübit davranışında değişikliğe yol açar. Nanomıknatısları alt tabakaya gömmek için IC endüstrisinden türetilen kendinden hizalı bir işlem kullandılar ve litografi varyasyonunu büyük ölçüde azalttılar. İlk olarak, bir fin oluşum süreci mıknatıs genişliğini belirledi. Daha sonra bir SiO₂ hendek aşındırma mıknatıs tabanını ayarlayın. Son olarak, kobalt aşındırma, mıknatısın tepesini tanımladı.

Hata düzeltme ve bant genişliği sorunu
Spesifik kübit tasarımından bağımsız olarak, genel amaçlı bir kuantum bilgisayar için hata düzeltmenin bir zorunluluk olması muhtemeldir. Kuantum süperpozisyonu herhangi bir nedenle kaybolursa - veya ne zaman - sistemin onu kurtarabilmesi gerekir. Şimdiye kadar önerilen çoğu hata düzeltme şeması, esasen istenen kuantum durumunun birden çok kopyasını oluşturarak artıklığa bağlıdır. Her mantıksal kübit, yüzlerce hatta binlerce fiziksel kübitten oluşur. Genel olarak konuşursak, Radu, hata oranı ne kadar yüksek olursa, doğru sonuçları sağlamak için daha fazla fiziksel kübite ihtiyaç duyulduğunu söyledi. Büyük algoritmalar için düşük hata oranları esastır.

Kriyojenik operasyon ihtiyacı ile birlikte gereken çok sayıda cihaz, önemli uygulama zorluklarını beraberinde getirir. Örneğin, DiVincenzo Kriterleri altında, her bir kübiti bağımsız olarak başlatmak ve okumak mümkün olmalıdır. Sistemin kontrol elektroniği soğutucunun dışında bulunuyorsa, kontrol elektroniği ile kübitler arasında potansiyel olarak binlerce kablonun geçmesi gerekir. Bu yaklaşımın önündeki engeller arasında sinyal gücü bozulması, karışma ve binlerce korumalı kabloyu bir milliKelvin buzdolabına yönlendirmenin fiziksel zorluğu yer alır.

RIKEN'den Tabuchi, dijital devrelerde sinyallerin "kademeli" olduğunu söyledi: bir geçidin çıkışı bir sonraki için girilebilir. Sürücü akımı yeterli olduğu sürece, sinyal bütünlüğü kablo uzunluğundan nispeten bağımsızdır. Kuantum devreleri, aksine, analog giriş/çıkışlara ve analog kontrol voltajlarına sahiptir, bu da uzun mesafelerde sinyal kaybına neden olur. Benzer şekilde, bir voltaj eşiğinin varlığı, dijital devrelerde kontrol hatları arasındaki karışma etkilerini azaltır. Kuantum devrelerinde %1 karışma bile önemlidir.

Bir potansiyel çözüm, optik fiberdir. Muazzam bant genişliğini destekler, sıcaklıktan bağımsızdır ve yüksek frekanslı sinyalleri barındırabilir. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) araştırma bilimcisi olan Florent Lecocq ve meslektaşları gösterdi süper iletken kübitlerin optik kontrolü. Alternatif olarak, RIKEN grubu, sinyali ortam sıcaklığı dünyasına iletmeden önce qubit seviyesinde hata düzeltmesi uygulayarak bant genişliği gereksinimlerini azaltmaya çalıştı. Simetriye dayalı yaklaşımları, simetrik olarak ilişkili süper iletken kübitlere aynı sinyalleri uyguladı.

Sonuç
Genel olarak, kuantum hesaplama için görünüm karışık. DiVincenzo'nun makalesinden yirmi yıl sonra, potansiyel kuantum bilgisayarların mimarisiyle ilgili temel sorular cevapsız kaldı. Imec'ten Radu'nun belirttiği gibi, silikonun standart hücresine eşdeğer bir kuantum henüz yok. Kriyojenik sıcaklıklarda cihaz ve malzeme özellikleri hala tam olarak anlaşılamamıştır.

Öte yandan, araştırmacılar, tekrarlanabilir, açıkça tanımlanmış davranışlara sahip cihazlar yapmak için silikon benzeri işlemler kullanıyorlar. Henüz kuantum mikroişlemcilerimiz yok, ancak yapı taşlarını birleştirmeye başlıyor olabiliriz.

Referanslar
https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002077.pdf
https://arxiv.org/pdf/1801.00862.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508652
https://link.springer.com/content/pdf/10.1557/s43577-021-00140-1.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508663
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508660
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508735
https://arxiv.org/pdf/2009.01167.pdf

İlgili Hikayeler
Kuantum Hesaplama Bilgi Merkezi
Büyük Kuantum Hesaplama Yarışı
Kuantum Hesaplamaya Giden Uzun Yol

Kaynak: https://semiengineering.com/progress-on-general-while-quantum-computers/