Els ordinadors quàntics, sistemes informàtics que processen la informació mitjançant efectes mecànics quàntics, podrien superar els ordinadors clàssics en algunes tasques computacionals. Aquests ordinadors es basen en qubits, les unitats bàsiques de la informació quàntica, que poden existir en múltiples estats (0, 1 o tots dos alhora), a causa dels efectes quàntics coneguts com a superposició i entrellaçament.
Molts dels ordinadors quàntics desenvolupats en els darrers anys es basen en superconductors convencionals, materials que presenten una resistència elèctrica de zero a temperatures extremadament baixes. Per funcionar de manera fiable i mostrar superconductivitat, els circuits basats en aquests materials s'han de refredar a temperatures de millikelvin.
En els ordinadors quàntics, cada qubit normalment requereix la seva pròpia línia de control. Això significa que els enginyers han d'introduir diversos cables que porten polsos elèctrics (és a dir, línies de senyal), i el nombre de cables necessaris augmenta amb el nombre de qubits. A mesura que els ordinadors quàntics creixen, això pot ser problemàtic, ja que els processadors es fan més difícils de construir i d'operar de manera fiable.
Els investigadors de Seeqc Inc., una empresa que desenvolupa sistemes de computació quàntica digital, van introduir recentment un nou processador quàntic que podria funcionar de manera fiable ia temperatures de millikelvin, tot i que requereixen molt menys cablejat. Aquest processador, presentat en un article publicat aElectrònica de la natura, té un disseny únic en què els qubits i la seva electrònica de control estan integrats en dos xips superconductors separats però connectats.
"El desenvolupament de plataformes de computació quàntica superconductora s'enfronta a reptes d'escala considerables perquè calen línies de senyal individuals per controlar cada qubit", van escriure Caleb Jorda, Jacob Bernhardt i els seus col·legues en el seu article. "Aquesta sobrecàrrega de cablejat és el resultat del baix nivell d'integració entre l'electrònica de control a temperatura ambient i els qubits que operen a temperatures de millikelvin. Una alternativa prometedora és utilitzar l'electrònica de control digital superconductora criogènica que coexisteix amb els qubits".
Superant el repte del cablejat
Per superar els problemes de cablejat que fins ara han dificultat el desenvolupament de processadors quàntics a -escala més gran, aquest equip d'investigació va dissenyar un nou mòdul multi-xip. Aquest mòdul consta de dos xips separats, un que allotja qubits i l'altre electrònica de control.
Els investigadors van utilitzar específicament electrònica de control quàntic de flux únic-, circuits digitals superconductors que generen polsos elèctrics molt curts i precisos a través de petits senyals magnètics quantificats. El xip que allotja aquests circuits es va connectar al xip que conté circuits superconductors mitjançant un enfocament conegut com a unió de xip-flip.
Aquest enfocament consisteix a col·locar les fitxes cara-a-i després enllaçar-les mitjançant cops de metall microscòpics. Tot el mòdul multi-xip desenvolupat per Jorda, Bernhardt i els seus col·legues funciona dins d'una configuració criogènica que el manté a temperatures de millikelvin.
"Presentem una unitat de processador quàntic actiu en què els qubits i l'electrònica de control quàntic de flux únic-s'integren en un únic mòdul multi-xip mitjançant l'enllaç flip-xip", van escriure els autors. "El nostre sistema utilitza la demultiplexació digital per distribuir polsos de control a diversos qubits, trencant així l'escala lineal de les línies de control al nombre de qubits. Amb aquest enfocament, demostrem fidelitats d'un -qubit per sobre del 99% i fins al 99,9%.
Un nou enfocament dels processadors quàntics d'alt nivell
El processador quàntic dissenyat per aquest equip d'investigació té avantatges notables respecte a molts altres processadors quàntics superconductors introduïts en el passat. En les proves inicials, es va trobar que funcionava molt bé, mantenint un control excel·lent sobre els qubits sense necessitat d'un cablejat extens.
En el futur, el nou disseny es podria ampliar per crear processadors quàntics més grans que continguin molts qubits addicionals i, per tant, puguin abordar problemes computacionals més complexos. A més, podria inspirar la introducció d'altres mòduls quàntics multi-xip similars que funcionin de manera fiable i que siguin més fàcils d'augmentar.
