חוקרים פיתחו תהליך ייצור מודולרי לייצור מערכת קוונטית-על-שבב המשלבת מערך של קיוביטים אטומים מלאכותיים על גבי שבב מוליכים למחצה. קרדיט: סמפסון וילקוקס ולינסן לי, RLE, ערוך
מערכת קוונטית-על-שבב חדשה מאפשרת שליטה יעילה במערך גדול של קיוביטים, ומתקדמת לעבר מעשי מחשוב קוונטי.
חוקרים ב MIT ו-MITER פיתחו פלטפורמת חומרה קוונטית מודולרית ניתנת להרחבה, המשלבת אלפי קיוביטים בשבב בודד, ומבטיחה שליטה משופרת ומדרגיות. תוך שימוש במרכזי צבע יהלומים, ארכיטקטורה חדשה זו תומכת ברשתות תקשורת קוונטיות נרחבות ומציגה תהליך ייצור חדשני של נעילה ושחרור כדי לשלב ביעילות את הקיוביטים הללו עם טכנולוגיות מוליכים למחצה קיימות.
פוטנציאל מחשוב קוונטי
תארו לעצמכם יכולת לפתור במהירות בעיות מורכבות ביותר שעשויות לקחת למחשב העל החזק ביותר בעולם עשרות שנים לפצח. זו ההבטחה של מחשבים קוונטיים.
עם זאת, מימוש יכולת זו מצריך בניית מערכת עם מיליוני אבני בניין מחוברות הנקראות קיוביטים. יצירה ושליטה בכל כך הרבה קיוביטים בארכיטקטורת חומרה הם אתגר עצום שמדענים ברחבי העולם שואפים לעמוד בו.
התקדמות בחומרה קוונטית
לקראת מטרה זו, חוקרים ב-MIT וב-MITER הדגימו פלטפורמת חומרה מודולרית ניתנת להרחבה המשלבת אלפי קיוביטים מחוברים במעגל משולב מותאם אישית. ארכיטקטורת "מערכת קוונטית-על-שבב" (QSoC) זו מאפשרת לחוקרים לכוון ולשלוט במערך צפוף של קיוביטים. ניתן לחבר מספר שבבים באמצעות רשת אופטית כדי ליצור רשת תקשורת קוונטית בקנה מידה גדול.
על ידי כוונון קיוביטים על פני 11 ערוצי תדר, ארכיטקטורת QSoC זו מאפשרת פרוטוקול מוצע חדש של "ריבוי הסתבכות" עבור מחשוב קוונטי בקנה מידה גדול.
ייצור שבבים קוונטי חדשני
הצוות הקדיש שנים לשכלול תהליך מורכב לייצור מערכים דו מימדיים של אָטוֹםמיקרו-שבבי קיוביט בגודל והעברת אלפי מהם על גבי שבב מוליך למחצה מתכת-תחמוצת משלים (CMOS) שהוכן בקפידה. העברה זו יכולה להתבצע בשלב אחד.
"נצטרך מספר רב של קיוביטים, ושליטה רבה עליהם, כדי למנף באמת את הכוח של מערכת קוונטית ולהפוך אותה לשימושית. אנו מציעים ארכיטקטורה חדשה לגמרי וטכנולוגיית ייצור שיכולה לתמוך בדרישות המדרגיות של מערכת חומרה עבור מחשב קוונטי", אומר לינסן לי, סטודנט לתואר שני בהנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS) ומחבר ראשי של מאמר בנושא זה. ארכיטקטורה.
המחברים השותפים של לי כוללים את Ruonan Han, פרופסור חבר ב-EECS, מנהיג קבוצת Terahertz Integrated Electronics וחבר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה (RLE); הסופר הבכיר דירק אנגלונד, פרופסור ל-EECS, חוקר ראשי של קבוצת הפוטוניקה הקוונטית והבינה המלאכותית ושל RLE; כמו גם אחרים ב-MIT, אוניברסיטת קורנל, המכון הטכנולוגי של דלפט, מעבדת המחקר של צבא ארה"ב ותאגיד MITER. העיתון פורסם לאחרונה ב טֶבַע.
מאפיינים ייחודיים של מרכזי צבע יהלומים
בעוד שישנם סוגים רבים של קיוביטים, החוקרים בחרו להשתמש במרכזי צבע יהלומים בגלל יתרונות המדרגיות שלהם. הם השתמשו בעבר בקיוביטים כאלה כדי לייצר שבבים קוונטיים משולבים עם מעגלים פוטוניים.
קוויביטים העשויים ממרכזי צבע יהלומים הם "אטומים מלאכותיים" הנושאים מידע קוונטי. מכיוון שמרכזי צבע יהלומים הם מערכות מוצק, ייצור הקיוביט תואם לתהליכי ייצור מוליכים למחצה מודרניים. הם גם קומפקטיים ובעלי זמני קוהרנטיות ארוכים יחסית, המתייחסים לפרק הזמן שבו מצב קיוביט נשאר יציב, בשל הסביבה הנקייה שמספק חומר היהלום.
בנוסף, למרכזי צבע יהלומים יש ממשקים פוטוניים המאפשרים להסתבך מרחוק או לחבר אותם עם קיוביטים אחרים שאינם סמוכים אליהם.
"ההנחה המקובלת בתחום היא שהאי-הומוגניות של מרכז צבע היהלום היא חיסרון בהשוואה לזיכרון קוונטי זהה כמו יונים ואטומים ניטרליים. עם זאת, אנו הופכים את האתגר הזה ליתרון על ידי אימוץ המגוון של האטומים המלאכותיים: לכל אטום יש תדר ספקטרלי משלו. זה מאפשר לנו לתקשר עם אטומים בודדים על ידי כוונון מתח שלהם לתהודה עם לייזר, בדומה לכיוון החוגה ברדיו זעיר", אומר אנגלונד.
אתגרי תקשורת ובקרה קוונטית
זה קשה במיוחד מכיוון שהחוקרים חייבים להשיג זאת בקנה מידה גדול כדי לפצות על חוסר ההומוגניות של הקיוביט במערכת גדולה.
כדי לתקשר בין קווים, הם צריכים שיהיו להם מספר "מכשירי רדיו קוונטיים" כאלה שיחויגו לאותו ערוץ. השגת מצב זה הופכת כמעט בטוחה כאשר מדרגים לאלפי קיוביטים. לשם כך, החוקרים התגברו על האתגר הזה על ידי שילוב מערך גדול של קווים מרכזיים של צבעי יהלום על גבי שבב CMOS המספק את חוגות הבקרה. ניתן לשלב את השבב עם לוגיקה דיגיטלית מובנית שמגדירה מחדש את המתחים במהירות ובאופן אוטומטי, ומאפשרת לקיוביטים להגיע לקישוריות מלאה.
"זה מפצה על האופי ההומוגני של המערכת. עם פלטפורמת CMOS, אנו יכולים לכוון במהירות ודינמית את כל תדרי הקיוביט", מסביר לי.
ייצור נעילה ושחרור
כדי לבנות את ה-QSoC הזה, החוקרים פיתחו תהליך ייצור להעברת "מיקרוצ'יפטים" של מרכז צבע יהלומים על גבי CMOS בקנה מידה גדול.
הם התחילו בייצור מערך של שבבי מרכז צבע יהלום מגוש יהלום מוצק. הם גם עיצבו ויצרו בקנה מידה ננו אנטנות אופטיות המאפשרות איסוף יעיל יותר של הפוטונים הנפלטים מקווביטים אלה של מרכז הצבע בחלל פנוי.
לאחר מכן, הם תכננו ומיפו את השבב ממפעל היציקה של מוליכים למחצה. בעבודה בחדר הנקי של MIT.nano, הם עבדו לאחר עיבוד שבב CMOS כדי להוסיף שקעים בקנה מידה מיקרו שמתאימים למערך המיקרו-שבבי היהלומים.
הם בנו מערך העברה פנימי במעבדה והפעילו תהליך נעילה ושחרור כדי לשלב את שתי השכבות על ידי נעילת מיקרו-שבבי היהלום לתוך השקעים שבשבב CMOS. מכיוון ששבבי היהלום קשורים בצורה חלשה למשטח היהלום, כאשר הם משחררים את היהלום בתפזורת אופקית, המיקרו-שבבים נשארים בשקעים.
"מכיוון שאנחנו יכולים לשלוט בייצור של היהלום וגם של שבב ה-CMOS, אנחנו יכולים ליצור דפוס משלים. בדרך זו, נוכל להעביר אלפי שבבי יהלומים לתוך השקעים המתאימים להם, כולם בו-זמנית", אומר לי.
החוקרים הדגימו העברת שטח של 500 מיקרון על 500 מיקרון עבור מערך עם 1,024 ננואנטנות יהלומים, אך הם יכלו להשתמש במערכים גדולים יותר של יהלומים ובשבב CMOS גדול יותר כדי להגדיל את המערכת. למעשה, הם גילו שעם יותר קיוביטים, כוונון התדרים למעשה דורש פחות מתח עבור הארכיטקטורה הזו.
"במקרה זה, אם יש לך יותר קיוביטים, הארכיטקטורה שלנו תעבוד אפילו טוב יותר", אומר לי.
סיכויי עתיד ובדיקות ביצועים
הצוות בדק ננו-מבנים רבים לפני שקבע את מערך המיקרו-שבבים האידיאלי לתהליך הנעילה והשחרור. עם זאת, הכנת מיקרו-שבבים קוונטיים אינה משימה קלה, והתהליך לקח שנים להשתכלל.
"חזרנו ופיתחנו את המתכון לייצור ננו-מבני יהלומים אלה בחדר נקי של MIT, אבל זה תהליך מאוד מסובך. נדרשו 19 שלבים של ננו-ייצור כדי להשיג את המיקרו-שבבים הקוונטיים של היהלומים, והשלבים לא היו פשוטים", הוא מוסיף.
לצד ה-QSoC שלהם, החוקרים פיתחו גישה לאפיון המערכת ולמדוד את ביצועיה בקנה מידה גדול. לשם כך, הם בנו מערך מטרולוגיה קריו-אופטי מותאם אישית.
באמצעות טכניקה זו, הם הדגימו שבב שלם עם למעלה מ-4,000 קיוביטים שניתן לכוון לאותו תדר תוך שמירה על הספין והמאפיינים האופטיים שלהם. הם גם בנו סימולציית תאומים דיגיטלית שמחברת את הניסוי עם מידול דיגיטלי, שעוזרת להם להבין את שורשי התופעה הנצפית ולקבוע כיצד ליישם את הארכיטקטורה ביעילות.
בעתיד, החוקרים יוכלו להגביר את ביצועי המערכת שלהם על ידי חידוד החומרים שבהם השתמשו לייצור קיוביטים או פיתוח תהליכי בקרה מדויקים יותר. הם יכולים גם ליישם את הארכיטקטורה הזו על מערכות קוונטיות אחרות במצב מוצק.
עבודה זו נתמכה על ידי MITER Corporation Quantum Moonshot Program, הקרן הלאומית למדע של ארה"ב, משרד המחקר של צבא ארה"ב, המרכז לרשתות קוונטיות ותוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי.
