اپتیک و کوانتوم

برای رسیدن به این هدف، محققان MIT و MITER یک پلت‌فرم سخت‌افزاری مقیاس‌پذیر و مدولار را نشان داده‌اند که هزاران کیوبیت متصل به هم را در یک مدار مجتمع سفارشی‌سازی شده یکپارچه می‌کند. این معماری «سیستم کوانتومی روی تراشه» (QSoC) محققان را قادر می‌سازد تا مجموعه‌ای از کیوبیت‌ها را به‌طور دقیق تنظیم و کنترل کنند. چندین تراشه را می توان با استفاده از شبکه های نوری برای ایجاد یک شبکه ارتباطی کوانتومی در مقیاس بزرگ متصل کرد. با تنظیم کیوبیت ها در 11 کانال فرکانس، این معماری QSoC اجازه می دهد تا یک پروتکل پیشنهادی جدید "چند گانه سازی درهم تنیدگی" را برای محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ ایجاد کند. این تیم سال‌ها برای تکمیل فرآیند پیچیده‌ای برای تولید آرایه‌های دوبعدی ریزتراشه‌های کیوبیت به اندازه اتم و انتقال هزاران عدد از آنها به یک تراشه نیمه‌رسانای اکسید فلزی (CMOS) که با دقت آماده شده بود، سپری کردند. لینسن لی، دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) و نویسنده ارشد مقاله در مورد این معماری می گوید «ما به تعداد زیادی کیوبیت و کنترل زیادی روی آنها نیاز داریم تا واقعاً از قدرت یک سیستم کوانتومی استفاده کنیم و آن را مفید کنیم. ما یک معماری کاملاً جدید و یک فناوری ساخت را پیشنهاد می کنیم که می تواند از الزامات مقیاس پذیری یک سخت افزار پشتیبانی کند.» در حالی که انواع مختلفی از کیوبیت ها وجود دارد، محققان استفاده از مراکز رنگ الماس را به دلیل مزایای مقیاس پذیری انتخاب کردند. آنها قبلا از چنین کیوبیت هایی برای تولید تراشه های کوانتومی یکپارچه با مدارهای فوتونیکی استفاده می کردند.

کیوبیت های ساخته شده از مراکز رنگ الماس «اتم های مصنوعی» هستند که اطلاعات کوانتومی را حمل می کنند. از آنجایی که مراکز رنگ الماس سیستم های حالت جامد هستند، تولید کیوبیت با فرآیندهای ساخت نیمه هادی مدرن سازگار است. آنها همچنین فشرده هستند و زمان همدوسی نسبتا طولانی دارند، که به مدت زمانی که حالت کیوبیت ثابت می ماند، به دلیل محیط تمیزی که توسط مواد الماس ارائه می شود، اشاره دارد. علاوه بر این، مراکز رنگ الماس دارای رابط های فوتونیکی هستند که به آنها اجازه می دهد از راه دور با کیوبیت های دیگر که در مجاورت آنها نیستند، درگیر شوند یا به هم متصل شوند.

"فرض مرسوم در این زمینه این است که ناهمگنی مرکز رنگ الماس در مقایسه با حافظه کوانتومی یکسان مانند یون ها و اتم های خنثی یک اشکال است. با این حال، ما این چالش را با استقبال از تنوع اتم های مصنوعی به یک مزیت تبدیل می کنیم: هر اتم، فرکانس طیفی خود را دارد که به ما اجازه می‌دهد با تنظیم ولتاژ اتم‌ها به صورت رزونانس با لیزر ارتباط برقرار کنیم. این امر به ویژه دشوار است زیرا محققان باید در مقیاس بزرگ به این امر دست یابند تا ناهمگنی کیوبیت در یک سیستم بزرگ را جبران کنند. برای برقراری ارتباط بین کیوبیت ها، آنها باید چندین "رادیو کوانتومی" داشته باشند که در یک کانال شماره گیری شده اند. دستیابی به این شرایط هنگام مقیاس دهی به هزاران کیوبیت تقریباً قطعی می شود. برای این منظور، محققان با ادغام آرایه بزرگی از کیوبیت‌های مرکز رنگ الماس بر روی یک تراشه CMOS که شماره‌های کنترل را فراهم می‌کند، بر این چالش غلبه کردند. تراشه را می توان با منطق دیجیتال داخلی ترکیب کرد که به سرعت و به طور خودکار ولتاژها را مجدداً پیکربندی می کند و کیوبیت ها را قادر می سازد به اتصال کامل برسند.

در آینده، محققان می توانند عملکرد سیستم خود را با پالایش موادی که برای ساخت کیوبیت ها استفاده می کنند یا توسعه فرآیندهای کنترل دقیق تر، افزایش دهند. آنها همچنین می توانند این معماری را برای سایر سیستم های کوانتومی حالت جامد اعمال کنند.

More information: Dirk Englund, Heterogeneous integration of spin–photon interfaces with a CMOS platform, Nature (2024)