คอมพิวเตอร์ควอนตัม ซึ่งเป็นระบบคอมพิวเตอร์ที่ประมวลผลข้อมูลโดยใช้ผลกระทบทางกลของควอนตัม อาจมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมในงานคำนวณบางอย่าง คอมพิวเตอร์เหล่านี้อาศัยคิวบิต ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของข้อมูลควอนตัม ซึ่งสามารถมีอยู่ได้หลายสถานะ (0, 1 หรือทั้งสองสถานะพร้อมกัน) เนื่องจากผลกระทบทางควอนตัมที่เรียกว่าการซ้อนและการพัวพัน
คอมพิวเตอร์ควอนตัมจำนวนมากที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาใช้ตัวนำยิ่งยวดทั่วไป ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิต่ำมาก เพื่อให้ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและมีค่าการนำไฟฟ้ายิ่งยวด วงจรที่ใช้วัสดุเหล่านี้จะต้องถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิมิลลิเคลวิน
ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม โดยทั่วไปแต่ละคิวบิตจะต้องมีสายควบคุมของตัวเอง ซึ่งหมายความว่าวิศวกรจำเป็นต้องแนะนำสายไฟหลายเส้นที่ส่งพัลส์ไฟฟ้า (เช่น เส้นสัญญาณ) และจำนวนสายไฟที่จำเป็นจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนคิวบิต เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมมีขนาดใหญ่ขึ้น สิ่งนี้อาจเป็นปัญหาได้ เนื่องจากโปรเซสเซอร์จะสร้างได้ยากขึ้นและทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ
นักวิจัยจาก Seeqc Inc. ซึ่งเป็นบริษัทที่พัฒนาระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมดิจิทัล ได้เปิดตัวโปรเซสเซอร์ควอนตัมรุ่นใหม่ที่สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและที่อุณหภูมิมิลลิเคลวิน แม้ต้องใช้การเดินสายน้อยลงอย่างมากก็ตาม โปรเซสเซอร์นี้เปิดตัวในบทความที่ตีพิมพ์ในอิเล็กทรอนิกส์ธรรมชาติมีการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์ โดยที่ qubit และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมของพวกมันถูกรวมเข้ากับชิปตัวนำยิ่งยวดสองตัวที่แยกจากกันแต่เชื่อมต่อกัน
“การพัฒนาแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวดเผชิญกับความท้าทายในการปรับขนาดอย่างมาก เนื่องจากสายสัญญาณแต่ละเส้นจำเป็นต้องควบคุมแต่ละคิวบิต” Caleb Jorda, Jacob Bernhardt และเพื่อนร่วมงานเขียนในรายงานของพวกเขา "ค่าใช้จ่ายในการเดินสายไฟนี้เป็นผลมาจากการบูรณาการในระดับต่ำระหว่างอุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่อุณหภูมิห้องและคิวบิตที่ทำงานที่อุณหภูมิมิลลิเคลวิน ทางเลือกที่มีแนวโน้มคือการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแบบดิจิตอลยิ่งยวดที่แช่แข็งซึ่งอยู่ร่วมกับคิวบิต"
เอาชนะความท้าทายในการเดินสายไฟ
เพื่อเอาชนะปัญหาการเดินสายไฟที่เป็นอุปสรรคต่อการพัฒนา-ตัวประมวลผลควอนตัมขนาดใหญ่ขึ้น ทีมวิจัยนี้ได้ออกแบบโมดูลหลาย-ชิปใหม่ โมดูลนี้ประกอบด้วยชิปสองตัวแยกกัน ตัวหนึ่งโฮสต์คิวบิต และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมอื่น ๆ
นักวิจัยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมควอนตัมฟลักซ์เดี่ยว-โดยเฉพาะ ซึ่งเป็นวงจรดิจิทัลที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่สร้างพัลส์ไฟฟ้าที่สั้นและแม่นยำมากผ่านสัญญาณแม่เหล็กเชิงควอนตัมเล็กๆ ชิปที่โฮสต์วงจรเหล่านี้เชื่อมต่อกับชิปที่มีวงจรตัวนำยิ่งยวดโดยใช้แนวทางที่เรียกว่าการเชื่อมชิปฟลิป-
วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการวางชิปโดยหันหน้าเข้าหากัน-ถึง- จากนั้นจึงเชื่อมโยงเข้าด้วยกันผ่านการกระแทกโลหะขนาดเล็กมาก โมดูลหลายชิป-ทั้งหมดที่พัฒนาโดย Jorda, Bernhardt และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาทำงานภายในการตั้งค่าไครโอเจนิกส์ซึ่งจะรักษาอุณหภูมิไว้ที่อุณหภูมิมิลลิเคลวิน
"เรานำเสนอหน่วยประมวลผลควอนตัมที่ทำงานอยู่ซึ่งมีคิวบิตและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมควอนตัมฟลักซ์-เดี่ยวๆ รวมอยู่ในโมดูลหลาย-ชิปตัวเดียวผ่านการเชื่อมฟลิป-ชิป" ผู้เขียนเขียน "ระบบของเราใช้ระบบดีมัลติเพล็กซ์แบบดิจิทัลเพื่อกระจายพัลส์ควบคุมไปยังหลายคิวบิต ดังนั้นจึงทำลายมาตราส่วนเชิงเส้นของบรรทัดควบคุมเป็นจำนวนคิวบิต ด้วยแนวทางนี้ เราจึงสาธิต-ความเที่ยงตรงของคิวบิตเดี่ยว-ที่สูงกว่า 99% และสูงถึง 99.9%"
แนวทางใหม่ในการอัพเกรดโปรเซสเซอร์ควอนตัม
โปรเซสเซอร์ควอนตัมที่ออกแบบโดยทีมวิจัยนี้มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นเหนือโปรเซสเซอร์ควอนตัมตัวนำยิ่งยวดอื่นๆ ที่เปิดตัวในอดีต ในการทดสอบเบื้องต้น พบว่าทำงานได้ดีอย่างน่าทึ่ง โดยรักษาการควบคุมคิวบิตได้อย่างดีเยี่ยมโดยไม่จำเป็นต้องเดินสายที่กว้างขวาง
ในอนาคต การออกแบบใหม่นี้สามารถขยายขนาดเพื่อสร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งมีคิวบิตเพิ่มเติมจำนวนมาก และอาจแก้ไขปัญหาการคำนวณที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ นอกจากนี้ ยังสร้างแรงบันดาลใจให้เกิดการเปิดตัวโมดูลควอนตัมหลายชิป-ที่คล้ายกันซึ่งทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือและยกระดับได้ง่ายขึ้น
