Thiết kế vi mạch cho phép cấu trúc 2D mới cho các bit lượng tử

Sử dụng các công nghệ chế tạo vi mạch hiện có, các nhà khoa học đã tìm ra cách loại bỏ nhiễu xuyên âm giữa các qubit trên mặt phẳng 2D.

Điện toán lượng tử được ca ngợi là bước nhảy vọt tiếp theo của ngành khoa học máy tính. Các sự kiện lượng tử diễn ra ở quy mô nhỏ hơn nhiều so với các tương tác điện làm sinh động các máy tính ngày nay. Điều này có nghĩa là không chỉ có thể đóng gói nhiều chức năng hơn vào ít không gian hơn, mà khoảng cách giữa các chức năng được rút ngắn, mang lại kết quả tính toán nhanh không thể tưởng tượng.

Các bit lượng tử hoặc "qubit" phải được kết nối với nhau và các đường dây và thiết bị điều khiển bên ngoài cần thiết. Ảnh chụp màn hình được sử dụng với sự cung cấp của Đại học Khoa học Tokyo

Đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử là bit lượng tử hay gọi tắt là "qubit". Đây có thể là những nguyên tố hạ nguyên tử cực nhỏ như electron. Trạng thái lượng tử của các phần tử này truyền tải thông tin, theo cách tương tự như các thanh ghi điện lớn hơn nhiều của các máy tính hiện nay.

Các vấn đề liên quan đến cấu trúc máy tính lượng tử 3D

Lý tưởng nhất, các qubit sẽ được sắp xếp trong các mảng hai chiều (2D). Theo cách này, mỗi qubit sẽ giao tiếp với hàng xóm gần nhất và với các cổng I / O.

Nhưng khi dự đoán một thiết bị thực tế, số lượng qubit phải tăng lên đáng kể, đến mức mà các cấu trúc đơn giản như vậy sẽ không cắt được nó bởi vì các qubit chỉ có thể giao tiếp trên một mặt phẳng 2D dài. Các qubit nằm về phía trung tâm hoặc một cạnh xa không thể giao tiếp với cạnh đối diện, và kết quả là, các qubit riêng lẻ không thể giao tiếp với đủ các nghiên cứu sinh của nó.

Trước đây, các nhà thiết kế đã giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra một cấu trúc 3D trải dài trên nhiều mặt phẳng.

Tính toán lượng tử ba chiều. Ảnh chụp màn hình được sử dụng với sự cung cấp của Đại học Khoa học Tokyo

Việc chế tạo các cấu trúc này có thể khó khăn. Tệ hơn nữa, có một mức độ không thể chấp nhận được của sự giao thoa và can thiệp trong cấu trúc 3D. Đây là một trong nhiều lý do tại sao tính toán lượng tử thực tế vẫn chưa thành hiện thực.

Máy tính lượng tử giả 2D

Một giải pháp đã được phát triển bởi một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Khoa học Tokyo, Nhật Bản, Trung tâm RIKEN về Khoa học Vật chất Nổi bật ở Nhật Bản và Đại học Công nghệ Sydney. Nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi Giáo sư Jaw-Shen Tsai của Đại học Tokyo.

Kết quả của nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Vật lý Mới . Như những người tham gia mô tả, "Ở đây, chúng tôi giải quyết vấn đề này và trình bày một kiến trúc vi siêu dẫn đã được sửa đổi, không yêu cầu bất kỳ công nghệ đường bên ngoài 3D nào và hoàn nguyên về thiết kế phẳng hoàn toàn."

Giải pháp bao gồm việc đặt tất cả các qubit ở rìa mạng và kết nối chúng qua cầu không khí , đây là một phương pháp được sử dụng phổ biến trong chế tạo vi mạch hiện nay. Ý tưởng được minh họa ở phần trung tâm của hình ảnh bên dưới.

Đồ họa thông tin về cách cấu trúc 2D giả có thể ảnh hưởng đến tính toán lượng tử. Video được sử dụng với sự cung cấp của Đại học Khoa học Tokyo

Điểm khởi đầu là một mảng mạng tinh thể vuông qubit. Sau đó, họ kéo dài từng cột ra mặt phẳng 2D. Tiếp theo, họ gấp từng cột kế tiếp nhau lên trên đỉnh của nhau. Kết quả là một mảng một chiều kép được gọi là mảng "hai tuyến tính".

Bố cục vật lý của kiến trúc 2D giả mới. Hình ảnh được sử dụng lịch sự của Tsai et. al

Phương pháp này, hoàn toàn là 2D, đặt tất cả các qubit vào cạnh. Bởi vì mỗi qubit được kết nối với thành viên liền kề của nó, có một số chồng chéo, nhưng không quá nhiều để gây ra nhiễu xuyên âm. Điểm cộng tuyệt vời khác là không chỉ việc sản xuất sẽ dễ dàng hơn mà còn có thể thực hiện được phần lớn thông qua các công nghệ chế tạo vi mạch hiện có.

Ý nghĩa của phát hiện này đối với máy tính lượng tử

Nghiên cứu này thể hiện một bước tiến quan trọng đối với tính toán lượng tử thực tế. Và, liên quan đến các nhà thiết kế vi mạch, nó có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp sản xuất hiện có. Giáo sư Tsai nói, "Máy tính lượng tử là một thiết bị thông tin được kỳ vọng sẽ vượt xa khả năng của máy tính hiện đại."

Nhóm của Tsai đang lên kế hoạch cho các bước tiếp theo để xây dựng một mạch quy mô nhỏ "để kiểm tra và khám phá thêm khả năng."

Nếu bạn là một kỹ sư làm việc với các ứng dụng tốc độ cực cao, bạn có thể tưởng tượng một tình huống mà một hệ thống con nhỏ hoạt động với tốc độ cao đáng kinh ngạc có thể tạo ra sự khác biệt đáng kinh ngạc không? Chia sẻ suy nghĩ của bạn trong phần bình luận bên dưới.