Testata satoja kubitteja kerrallaan

QuTechin tutkijat ovat kehittäneet siruarkkitehtuurin, joka voisi helpottaa puolijohteisiin spin-kubitteihin perustuvien kvanttiprosessoreiden testaamista ja skaalaamista.

Kehitelty QARPET-niminen (Qubit-Array Research Platform for Engineering and Testing) -alusta mahdollistaa satojen kubittien karakterisoinnin samassa testisirussa samoissa toimintaolosuhteissa, joita käytetään kvanttilaskennan kokeissa. "Tällaisen monimutkaisen ja tiiviisti pakatun kvanttisirun ansiosta asiat alkavat todella muistuttaa perinteistä puolijohdeteollisuutta", toteaa johtava tutkija Giordano Scappucci.

QARPET-sirun valmistus oli itse asiassa rasituskoe suunnittelukyvyille. ”Kun suunnittelin ensimmäisiä asetteluja, en rehellisesti sanottuna odottanut niiden toimivan”, sanoo suunnittelusta vastannut Alberto Tosato. ”Risteävien elektrodien määrä on erittäin suuri. Se rikkoo nanorakenteen rajoja, ja näimme sen testinä, joka todennäköisesti epäonnistuisi. Joten laitteen herääminen eloon millikelvinien lämpötiloissa oli erittäin tyydyttävä hetki.”

Laite suunniteltiin ratkaisemaan kvanttiteknologioiden keskeinen haaste: miten arvioida tehokkaasti suuria määriä kubitteja, erityisesti miljoonia kvanttibittejä sisältävien laitteiden kehittyessä. ”Suuren mittakaavan kvanttiprosessorin rakentaminen ei ole vain kubittien lisäämisen kysymys”, sanoo tutkijakumppani Giordano Scappucci

”Jotta voimme edistyä, meidän on ymmärrettävä, miten kubitit toimivat tilastollisesti, kuinka yhdenmukaisia ne ovat, kuinka kohinaisia ne ovat ja miten nämä ominaisuudet vaihtelevat sirun eri puolilla. Tämä todella erottaa QARPETin muista.”

QARPET on suunniteltu yksinkertaistamaan arviointiprosessia. Sen sijaan, että tutkijat olisivat valmistaneet ja testanneet kutakin kubittipiiriä erikseen, he loivat pienistä, toistettavista "laatoista" koostuvan ruudukon. Jokainen laatta sisältää kaksi spin-kubittia ja yhden varausanturin, muodostaen itsenäisen yksikön, jota voidaan mitata erikseen.

Nämä laatat on yhdistetty ristikkäin, jossa rivit ja sarakkeet jakavat ohjauslinjat, samalla tavalla kuin tietokonemuisteissa käytetty arkkitehtuuri. Tämä rakenne tarkoittaa, että yksi laatta voidaan valita ja tutkia ilman monimutkaisten johdotusten tai kryogeenisen elektroniikan lisäämistä. Tämän seurauksena ohjauslinjojen kokonaismäärä kasvaa hitaasti matriisin kasvaessa, mikä tekee lähestymistavasta skaalautuvaa.

Ensimmäinen germanium/pii-germanium (Ge/SiGe) -puolijohderakenteesta valmistettu demonstraatiosiru sisältää 23 x 23 laattaa – riittävästi jopa 1 058 aukko-spin -kubitin isännöintiin. Koko matriisi vaatii kuitenkin vain 53 ohjauslinjaa, mikä osoittaa ristikkäisrakenteen tehokkuuden. ”Tämä piirirakenne saavuttaa noin kahden miljoonan kubitin potentiaalitiheyden neliömillimetriä kohden, mikä korostaa sitä, kuinka kompakteja puolijohteiset spin-kubitit voivat olla”, Scappucci sanoo. ”Itse asiassa oikean mittausinfrastruktuurin ja automaation avulla rakentamamme siru voisi jo nyt mahdollistaa yli tuhannen kubitin luotauksen yhdessä jäähdytyksessä.”

Aiheesta aiemmin:

Ensimmäiset teollisesti valmistetut kubitit