ผลการศึกษา qubit ตัวนำยิ่งยวดตัวใหม่ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications แสดงให้เห็น
คิวบิตตัวนำยิ่งยวด
อาศัยรูปแบบการคำนวณแบบดั้งเดิมการแก้ปัญหาทางกายภาพที่สอดคล้องกับกฎของกลศาสตร์คลาสสิก นี่คือวิธีการทำงานของโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ คอมพิวเตอร์ควอนตัมใช้ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมและอนุภาคย่อยในการสื่อสารและประมวลผลข้อมูล
ควอนตัมคอมพิวติ้งมีหลายรุ่นอย่างไรก็ตาม สิ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดเกี่ยวข้องกับการใช้ qubits และ quantum gate โปรดจำไว้ว่า qubit เป็นระบบที่มีสองสถานะที่เป็นไปได้ ซึ่งอาจอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งหรืออยู่ในสถานะซ้อนทับของทั้งสองสถานะก็ได้ ประตูควอนตัมเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของวงจรดิจิทัลที่ดำเนินการทางตรรกะเบื้องต้น มันอธิบายว่าสถานะของ qubits จะเปลี่ยนไปอย่างไร โดยคำนึงถึงค่าเริ่มต้น หลังจากใช้กฎบางอย่างกับพวกมัน
เนื่องจากผลควอนตัมจะปรากฏเฉพาะในด้วยสเกลที่เล็กมาก การสร้าง qubits และ gates ถือเป็นงานที่ยากมาก ในหลายๆ วิธีในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีประโยชน์ คิวบิตตัวนำยิ่งยวดได้รับความนิยมมากที่สุด ในการสร้างสิ่งเหล่านี้ วิศวกรใช้อุณหภูมิที่ใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเอฟเฟกต์ควอนตัมจะเริ่มปรากฏให้เห็นในระดับมหภาค ตัวอย่างเช่น เป็นเทคโนโลยีที่ใช้โดยโปรเซสเซอร์ควอนตัมของ IBM ที่เพิ่งเปิดตัวซึ่งมีเรคคอร์ด 433 คิวบิต
คู่คูเปอร์และทรานส์มอน
ในตัวนำยิ่งยวด ประจุไฟฟ้าส่วนใหญ่จะเป็นพาหะเป็นคู่คูเปอร์ นี่คือสถานะผูกพันของอิเล็กตรอนสองตัวที่มีปฏิสัมพันธ์ผ่านโฟนัน มีสปินเป็นศูนย์และมีประจุเท่ากับสองเท่าของประจุของอิเล็กตรอน มันคืออนุภาคเหล่านี้ ซึ่งทำหน้าที่เป็นองค์รวม ซึ่งใช้สำหรับการคำนวณแบบควอนตัม
คิวบิตหรือบล็อกการชาร์จที่ง่ายที่สุดคู่คูเปอร์เป็นองค์ประกอบที่สถานะเป็นตัวกำหนดว่ามีคู่คูเปอร์ส่วนเกินอยู่ในเกาะหรือไม่ ส่วนประกอบดังกล่าวถูกสร้างขึ้นโดยเกาะตัวนำยิ่งยวดเล็กๆ ที่เชื่อมต่อกันด้วยทางแยกโจเซฟสันเข้ากับแหล่งกักเก็บตัวนำยิ่งยวด ในจุดเชื่อมต่อนี้ กระแสวิกฤตจะถูกระงับ และกระแสอุโมงค์จะไหลผ่านชั้นฉนวนบางๆ หรือชั้นที่ไม่เป็นตัวนำยิ่งยวดระหว่างตัวนำยิ่งยวดสองตัว
สถานะของ qubit ขึ้นอยู่กับจำนวนคู่คูเปอร์ที่เจาะผ่านการเชื่อมต่อ เอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์ใช้ในการออกแบบควอนตัมแอนฮาร์โมนิกออสซิลเลเตอร์ที่ทำหน้าที่เป็นคิวบิต
แผนผังของวงจรประจุไฟฟ้า qubit เกาะนี้เกิดจากอิเล็กโทรดตัวนำยิ่งยวดระหว่างตัวเก็บประจุเกตและตัวเก็บประจุทางแยก ภาพ: ETH
การชาร์จ qubits นั้นทำโดยใช้เทคโนโลยีที่คล้ายกับเทคโนโลยีที่ใช้ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไปอุปกรณ์ดังกล่าวจะถูกสร้างขึ้นบนเวเฟอร์ซิลิคอนหรือแซฟไฟร์โดยใช้การพิมพ์หินลำแสงอิเล็กตรอนและการระเหยของฟิล์มโลหะบาง
ในกรณีนี้ ชุมทางโจเซฟสันจะเกิดขึ้นด้วยโดยใช้การระเหยของเงา นี่คือกระบวนการที่โลหะหลักสลับกันระเหยที่มุมสองมุมผ่านหน้ากากที่กำหนดโดยการพิมพ์หินในตัวต้านทานลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของโลหะตัวนำยิ่งยวดซ้อนทับกันสองชั้น ซึ่งระหว่างนั้นจะมีชั้นฉนวนบางๆ หุ้มอยู่
แม้ว่า qubit ดังกล่าวจะค่อนข้างง่ายที่จะทำด้วยการใช้เทคโนโลยีขั้นสูงที่ใช้ในคอมพิวเตอร์คลาสสิก ข้อเสียของพวกเขา ได้แก่ การถอดรหัสอย่างรวดเร็ว (การพังทลายของสิ่งกีดขวาง) ภายใต้อิทธิพลของเสียงรบกวนจากภายนอก เพื่อให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำการคำนวณที่เป็นประโยชน์ ข้อมูลที่มีอยู่จะต้องมีความแม่นยำเกือบ 100% เสียงการชาร์จที่เกิดจากความไม่สมบูรณ์ของสภาพแวดล้อมของวัสดุซึ่งเป็นที่ตั้งของ qubit ส่งผลเสียต่อความถูกต้องของข้อมูล
อุปกรณ์ IBM ประกอบด้วยทรานส์ฟอร์มสี่ตัว ภาพ: Jay M. Gambetta et al. ข้อมูลควอนตัม
เพื่อเพิ่ม "ชีวิต" ของ qubits ดังกล่าวในในปี 2550 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเยลได้สรุประบบและสร้างทรานส์มอน นี่คือกลุ่มคูเปอร์คูเปอร์ซึ่งแยกโจเซฟสันเพิ่มเติมด้วยตัวเก็บประจุแบบคาปาซิทีฟขนาดใหญ่ การลดลงของความไวต่อสัญญาณรบกวนแบบ capacitive ทำให้เวลาการเชื่อมโยงกันเพิ่มขึ้นจาก 1–2 ns สำหรับบล็อกของคูเปอร์คู่เป็นเกือบ 100 ns สำหรับทรานส์มอน
Unimon เป็น qubit ตัวนำยิ่งยวดใหม่
ภาพประกอบทางศิลปะของยูนิมอนในโปรเซสเซอร์ควอนตัม ภาพ: Alexander Kakinen, Aalto University
แม้จะมีความก้าวหน้าในการพัฒนาอย่างมากการคำนวณควอนตัม การออกแบบคิวบิต และวิธีการที่ใช้อยู่ในปัจจุบันไม่ได้ให้ประสิทธิภาพสูงเพียงพอสำหรับการใช้งานจริงในวงกว้าง ความซับซ้อนของการคำนวณที่นำไปใช้ส่วนใหญ่ถูกจำกัดโดยข้อผิดพลาดในองค์ประกอบควอนตัมที่มีหนึ่งและสองคิวบิต
เพื่อแก้ปัญหานี้นักวิจัยพัฒนา qubit ตัวนำยิ่งยวดชนิดใหม่ พวกเขารวม anharmonicity ที่เพิ่มขึ้น (การเบี่ยงเบนของพลังงานของระบบจาก "ความผันผวน" ของฮาร์มอนิก) ความไม่ไวต่อสัญญาณรบกวน DC อย่างสมบูรณ์ ความไวต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กที่ลดลง และโครงสร้างที่เรียบง่าย
อุปกรณ์ดังกล่าวประกอบด้วยหนึ่งโจเซฟสันทางแยกที่แยกออกจากตัวเหนี่ยวนำเชิงเส้น และตัวเก็บประจุที่ทำงานในโหมดที่พลังงานเหนี่ยวนำถูกชดเชยด้วยพลังงานโจเซฟสันเป็นส่วนใหญ่ นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าคุณสมบัตินี้ส่งผลให้เกิดแอนฮาร์โมนิตี้ในระดับสูงโดยมีภูมิคุ้มกันอย่างเต็มที่ต่อเสียงรบกวนจากประจุไฟฟ้าความถี่ต่ำและการป้องกันบางส่วนจากเสียงรบกวนการไหล
สำหรับการสาธิตการทดลองของ Unimon นักวิทยาศาสตร์ออกแบบและผลิตชิป แต่ละชิปประกอบด้วยยูนิมอนสามคิวบิต พวกเขาใช้ไนโอเบียมเป็นวัสดุตัวนำยิ่งยวด ยกเว้นหน้าสัมผัสของโจเซฟสัน ซึ่งตัวนำยิ่งยวดทำจากอะลูมิเนียม
ซ้าย:ภาพไมโครสโคปสีเทียมของชิปซิลิกอนที่มียูนิมอนสามตัว (สีน้ำเงิน) พร้อมด้วยช่องสำหรับอ่านค่า (สีแดง) เส้นขับเคลื่อน (สีเขียว) และเส้นเชื่อมต่อโพรบ (สีเหลือง) ขวา: การตั้งค่าการทดลองอย่างง่ายที่ใช้ในการวัดยูนิมอน รูปภาพ: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จด้วยอุปกรณ์ของพวกเขาความแม่นยำจาก 99.8% ถึง 99.9% สำหรับ 13 ns single-qubit gate บน unimon qubits ที่แตกต่างกันสามแบบ นักวิจัยทราบว่าเนื่องจากค่าแอนฮาร์โมนิซิตีหรือความไม่เชิงเส้นสูงกว่าในทรานส์มอน ยูนิมอนจึงสามารถทำงานได้เร็วขึ้น ส่งผลให้มีข้อผิดพลาดน้อยลงต่อการดำเนินการ
Unimons นั้นง่ายมาก แต่มีข้อดีมากมายด้านหน้าของทรานส์ฟอร์ม ข้อเท็จจริงที่ว่ายูนิมอนตัวแรกที่เคยสร้างขึ้นนั้นใช้งานได้ดีทำให้มีพื้นที่ว่างมากมายสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพและการพัฒนาครั้งสำคัญ
Mikko Mettonen ศาสตราจารย์ด้านเทคโนโลยีควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัย Aalto
นักวิจัยจะดำเนินการปรับปรุงต่อไปในการออกแบบ วัสดุ และ unimon gate time ให้เกินเป้าหมายที่แม่นยำ 99.99% เพื่อสร้างข้อได้เปรียบทางควอนตัมที่มีประโยชน์และการแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างมีประสิทธิภาพในอุปกรณ์ที่ใช้งานจริงโดยอิงจาก qubits จำนวนมาก
อ่านเพิ่มเติม:
ทฤษฎีหลักของการกำเนิดของมนุษย์ถูกหักล้าง: เรามาจากไหน
เผยแพร่ผลการทดลองยารักษามะเร็งครั้งแรก
ขณะนี้มีประชากร 8 พันล้านคนอาศัยอยู่บนโลก: การมีประชากรมากเกินไปกำลังคุกคามโลกหรือไม่?