فكرتان غريب الأطوار لجهاز كمبيوتر كمي ميغاكويت

إن المشكلة الدائمة في توسيع نطاق معظم أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي مشكلة عادية على ما يبدو – الكثير من الكابلات. يقول الخبراء إن أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد تحتاج على الأقل مليون كيوبت محتفظ بها بالقرب من الصفر المطلق للقيام بأي شيء جدير بالملاحظة من الناحية الحسابية. لكن ربطها جميعًا بكابل متحد المحور للتحكم في الإلكترونيات والقراءة ، والتي تعمل في درجة حرارة الغرفة ، سيكون أمرًا مستحيلًا.

يأمل عمالقة الحوسبة مثل آي بي إم وجوجل وإنتل في حل هذه المشكلة باستخدام رقائق السيليكون المشعة التي يمكن أن تعمل بالقرب من الكيوبتات نفسها. لكن الباحثين طرحوا مؤخرًا بعض الحلول الأكثر غرابة التي يمكن أن تسرع الوتيرة.

في اجتماع IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM) في ديسمبر ، اقترحت مجموعتان من الباحثين أن السيليكون قد لا يكون أفضل إجابة. وبدلاً من ذلك ، تعتمد حلولهم على أشباه الموصلات والترانزستورات التي تستهدف الترددات الراديوية القريبة من تيراهيرتز. وفي فبراير في مؤتمر IEEE الدولي لدوائر الحالة الصلبة (ISSCC) ، اقترحت مجموعة بحثية منفصلة تقنية يمكنها استخدام راديو تيراهيرتز للتخلص من كابلات الاتصالات تمامًا.

الآبار الكمية المشتركة

نوع من الأجهزة المصنوع من أشباه الموصلات المركبة مثل زرنيخيد الغاليوم الإنديوم بدلاً من السيليكون ويسمى ترانزستور عالي الحركة للإلكترون (HEMT) هو وسيلة طبيعية لتضخيم نوع إشارات التردد اللاسلكي اللازمة للتفاعل مع الكيوبتات. لكن الباحثين في المعهد الكوري المتقدم للتكنولوجيا (KAIST) وفي IBM Zurich و Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) حسبوا أنه يمكنه أيضًا القيام بمهمة تقليل الكابلات المتمثلة في التوجيه وتعدد الإرسال وإزالة تعدد الإرسال. بشكل حاسم ، يمكن أن يفعل ذلك مع القليل من فقدان الطاقة ، وهو أمر مهم ، لأنه في الأجزاء الأكثر برودة من الغرف المبردة المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يمكن لنظام الثلاجة إزالة بضع واط فقط من الحرارة.

تمتلك HEMTs بنية شبه موصلة ذات طبقات تخلق منطقة ضيقة جدًا من الإلكترونات الحرة ، تسمى غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد. تتحرك الشحنة بسرعة وبقليل من المقاومة من خلال “البئر الكمومي” ومن هنا تتقن HEMT في تضخيم الإشارات عالية التردد. استنتج فريق KAIST والفريق السويسري أنه في درجات الحرارة شديدة البرودة ، قد يحمل غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد إشارات ذات مقاومة أقل من المعدن.

ولإثبات ذلك ، قاموا ببناء دارات مزيل تعدد الإرسال مكونة من عدة ترانزستورات واختبروها عند 5 كلفن. بدلاً من توصيل كل ترانزستور بجاره بوصلة معدنية ، جعلهم يتشاركون في البئر الكمومي. كان المعدن الوحيد المعني هو المكان الذي دخلت فيه الإشارة إلى شبكة تعدد الإرسال وحيث خرجت. يقول SangHeyon Kim ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية في KAIST: “بغض النظر عن عدد الترانزستورات الموجودة بين المدخلات والمخرجات ، هناك مصدران فقط للمقاومة”.

قام الفريق الذي يتخذ من سويسرا مقراً له ببناء هياكل مماثلة ، بقياس انخفاض بنسبة 32 في المائة في المقاومة بين ترانزستورين متصلين بواسطة وصلة معدنية ، واثنان متصلان ببئر كمي. قد يحتاج مُضاعِف الإرسال من 1 إلى 8 إلى 14 ترانزستورًا حتى تتم إضافة تحسين المقاومة بسرعة.

يقول سيزار ب. زوتا ، عضو فريق البحث في آي بي إم زيورخ: “إننا نقوم بالكثير من الأشياء باستخدام هذه التكنولوجيا ، وبعضها لا يزال في مرحلة التخطيط”. يخطط فريقه للتوسع من جهاز اختبار الترانزستور الخاص بهم إلى مصفوفة تحويل كاملة. بينما يركز مختبر Kim على دمج معددات الإرسال مع مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء والإلكترونيات الأخرى من خلال التراص ثلاثي الأبعاد.

يمكن مضاعفة إشارات التحكم في Qubit لتقليل عدد الكابلات التي تذهب إلى شريحة الحوسبة الكمومية. إن إرسال هذه الإشارات داخل البئر الكمومي للترانزستورات عالية الحركة الإلكترونية يولد حرارة أقل.آي بي إم ريسيرش زيورخ

التشتت الخلفي لأشعة تي

يمكن أن يؤدي تعدد الإرسال إلى تقليل عدد كبلات الإشارة التي تذهب إلى شريحة كيوبت ، ولكن ماذا لو أمكن التخلص منها تمامًا؟ اختبر الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بقيادة الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر رونان هان ، مخططًا يستخدم موجات تيراهيرتز بدلاً من ذلك. لقد استقروا على إشعاع قريب من تيراهيرتز – على وجه التحديد 0.26 تيراهيرتز – لأنه ، من بين أسباب أخرى ، كان التردد مرتفعًا جدًا للتداخل مع عمليات كيوبت وعملوا مع هوائيات صغيرة بما يكفي.

سوف يفرز جهاز إرسال واستقبال تيراهيرتز كامل الطاقة الكثير من الحرارة لوضعه بالقرب من شريحة كيوبت. وبدلاً من ذلك ، صمم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نظام “تبعثر خلفي” تيراهيرتز. سيتألف النظام من شريحتين لجهاز الإرسال والاستقبال ، واحدة في الجزء العلوي من الثلاجة ، حيث يكون الجو دافئًا ويكون استهلاك الطاقة أقل مشكلة ، وواحدة في الجزء السفلي كجزء من شريحة تحكم مبردة 4 كيلفن مرتبطة بشريحة الكمبيوتر الكمومي.

يتم حقن إشعاع تيراهيرتز في الثلاجة حيث يتم توجيهه إلى أعلى شريحة جهاز الإرسال والاستقبال الدافئة. في وضع “الوصلة الهابطة” يقوم جهاز الإرسال والاستقبال بترميز البيانات على إشعاع تيراهيرتز. تنتقل الإشارات أسفل الثلاجة إلى أسفل حيث يتم التقاطها بواسطة مجموعة من الهوائيات التصحيح على جهاز الإرسال والاستقبال البارد.

بدلاً من استخدام الكابلات لتوصيل الإلكترونيات الخارجية بأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، اقترح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا استخدام إشعاع تيراهيرتز.معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

للحصول على البيانات من شريحة الحوسبة الكمومية ، يتحول النظام إلى وضع الارتباط الصاعد. يرسل جهاز الإرسال والاستقبال الدافئ شعاعًا ثابتًا من إشعاع تيراهيرتز إلى جهاز الإرسال والاستقبال البارد. تقوم المفاتيح الموجودة هناك بتغيير دوائر الهوائي مما يجعلها تعكس الإشعاع بدلاً من امتصاصه ، وإرسال البيانات إلى جهاز الإرسال والاستقبال الدافئ.

في اختبارات النظام ، يمكن أن ترسل الوصلة الصاعدة 4 جيجابت في الثانية بينما تضيف فقط 176 فيمتوجول لكل جزء من الحرارة. كان الوصلة الهابطة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، بمعدل 34 فيمتوجول فقط لكل بت.