يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، وهي أنظمة حاسوبية تعالج المعلومات باستخدام تأثيرات ميكانيكية الكم، أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في بعض المهام الحسابية. تعتمد أجهزة الكمبيوتر هذه على الكيوبتات، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية، والتي يمكن أن توجد في حالات متعددة (0، 1 أو كليهما في وقت واحد)، بسبب التأثيرات الكمومية المعروفة باسم التراكب والتشابك.
تعتمد العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة على الموصلات الفائقة التقليدية، وهي مواد تظهر مقاومة كهربائية تصل إلى الصفر في درجات حرارة منخفضة للغاية. لكي تعمل بشكل موثوق وتظهر موصلية فائقة، تحتاج الدوائر المبنية على هذه المواد إلى التبريد إلى درجات حرارة بالميلي كلفن.
في الحواسيب الكمومية، يتطلب كل كيوبت عادةً خط تحكم خاصًا به. وهذا يعني أن المهندسين بحاجة إلى إدخال عدة أسلاك تحمل نبضات كهربائية (أي خطوط الإشارة)، ويزداد عدد الأسلاك اللازمة مع عدد الكيوبتات. مع نمو أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل أكبر، قد يكون ذلك مشكلة، حيث تصبح المعالجات أكثر صعوبة في البناء والتشغيل بشكل موثوق.
قدم الباحثون في شركة Seeqc Inc، وهي شركة تعمل على تطوير أنظمة الحوسبة الكمومية الرقمية، مؤخرًا معالجًا كميًا جديدًا يمكنه العمل بشكل موثوق عند درجات حرارة ملي كلفن، على الرغم من أنه يتطلب أسلاكًا أقل بكثير. تم تقديم هذا المعالج في ورقة نشرت فيإلكترونيات الطبيعة، يتمتع بتصميم فريد يتم فيه دمج البتات الكمومية وإلكترونيات التحكم الخاصة بها في شريحتين منفصلتين ولكن متصلتين فائقتي التوصيل.
كتب كاليب جوردا وجاكوب بيرنهاردت وزملاؤهما في ورقتهم البحثية: "إن تطوير منصات الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل يواجه تحديات كبيرة في التوسع لأن خطوط الإشارة الفردية مطلوبة للتحكم في كل كيوبت". "هذا الحمل الزائد للأسلاك هو نتيجة لانخفاض مستوى التكامل بين إلكترونيات التحكم في درجة حرارة الغرفة والكيوبتات التي تعمل عند درجات حرارة ملي كلفن. والبديل الواعد هو استخدام إلكترونيات التحكم الرقمية فائقة التوصيل المبردة التي تتعايش مع الكيوبتات."
التغلب على تحدي الأسلاك
للتغلب على مشكلات التوصيلات التي أعاقت حتى الآن تطوير معالجات كمية -أكبر حجمًا، صمم فريق البحث هذا وحدة جديدة متعددة-الشرائح. تتكون هذه الوحدة من شريحتين منفصلتين، إحداهما تستضيف الكيوبتات والأخرى إلكترونيات التحكم.
استخدم الباحثون على وجه التحديد -إلكترونيات تحكم كمي أحادية التدفق، ودوائر رقمية فائقة التوصيل تولد نبضات كهربائية قصيرة جدًا ودقيقة عبر إشارات مغناطيسية كمية صغيرة. تم توصيل الشريحة التي تستضيف هذه الدوائر بالشريحة التي تحتوي على دوائر فائقة التوصيل باستخدام أسلوب يُعرف باسم "ربط الرقاقة" -.
يستلزم هذا الأسلوب وضع الرقائق وجهًا لوجه-مع-وجهًا ثم ربطها عبر نتوءات معدنية مجهرية. تعمل وحدة الشرائح المتعددة- التي طورها جوردا وبرنهاردت وزملاؤهما داخل نظام تبريد يحافظ عليها عند درجات حرارة ملي كلفن.
كتب المؤلفون: "إننا نقدم وحدة معالج كمي نشط يتم فيها دمج البتات الكمومية وإلكترونيات التحكم الكمي المفردة في وحدة واحدة متعددة الرقائق - عبر ربط الرقائق -القلابة". "يستخدم نظامنا إزالة تعدد الإرسال الرقمي لتوزيع نبضات التحكم على عدة كيوبتات، وبالتالي كسر المقياس الخطي لخطوط التحكم إلى عدد الكيوبتات. وبهذا النهج، نعرض دقة البتات الكمومية الفردية- بما يزيد عن 99% وحتى 99.9%."
نهج جديد للمعالجات الكمومية الراقية
يتمتع المعالج الكمي الذي صممه فريق البحث هذا بمزايا ملحوظة مقارنة بالعديد من المعالجات الكمومية فائقة التوصيل الأخرى التي تم طرحها في الماضي. في الاختبارات الأولية، وجد أنه يعمل بشكل جيد بشكل ملحوظ، ويحافظ على تحكم ممتاز في الكيوبتات دون الحاجة إلى أسلاك واسعة النطاق.
في المستقبل، يمكن توسيع نطاق التصميم الجديد لإنشاء معالجات كمومية أكبر تحتوي على العديد من الكيوبتات الإضافية، وبالتالي يمكن أن تعالج مشاكل حسابية أكثر تعقيدًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون مصدر إلهام لإدخال وحدات كمومية مماثلة متعددة-الشرائح الكمومية تعمل بشكل موثوق ويسهل تطويرها.
