Nowa metoda dla kwantowych systemów obliczeniowych

Ciepło powoduje błędy w kubitach, które są budulcem komputera kwantowego, dlatego systemy kwantowe są zwykle przechowywane w lodówkach, które utrzymują temperaturę powyżej zera bezwzględnego (-459 stopni Fahrenheita).

Ale komputery kwantowe muszą komunikować się z elektroniką poza lodówką, w temperaturze pokojowej. Metalowe kable, które łączą te elementy elektroniczne, doprowadzają ciepło do lodówki, która musi pracować ciężej i pobierać dodatkową moc, aby system był chłodny. Ponadto więcej kubitów wymaga większej liczby kabli, więc rozmiar systemu kwantowego jest ograniczony ilością ciepła, jaką może usunąć lodówka.

Aby sprostać temu wyzwaniu, interdyscyplinarny zespół naukowców z MIT opracował system komunikacji bezprzewodowej, który umożliwia komputerowi kwantowemu wysyłanie i odbieranie danych do i z elektroniki na zewnątrz lodówki za pomocą szybkich fal terahercowych.

Chip nadawczo-odbiorczy umieszczony wewnątrz lodówki może odbierać i przesyłać dane. Fale terahercowe generowane na zewnątrz lodówki są emitowane przez szklane okno. Chip może odbierać dane zakodowane na tych falach. Ten chip działa również jako lustro, przesyłając dane z kubitów na falach terahercowych, które odbijają je z powrotem do źródła.

Ten proces inwersji zwraca również dużą ilość energii wysyłanej z powrotem do lodówki, więc proces ten generuje bardzo mało ciepła. System bezdotykowy zużywa do 10 razy mniej energii niż systemy z metalowymi przewodami.

„Dzięki temu trybowi inwertera naprawdę oszczędzasz na zużyciu energii wewnątrz lodówki i pozostawiasz wszystkie brudne prace na zewnątrz. Chociaż to wciąż tylko prototyp i mamy miejsce na ulepszenia, nawet w tym momencie wykazaliśmy niższe zużycie energii wewnątrz lodówki, co w rzeczywistości jest lepszy. ”Może to być sposób na budowanie wielkoskalowych systemów kwantowych, mówi starszy autor Ruonan Han, profesor nadzwyczajny na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS), który kieruje Terahertz Integrated Electronics Group.

Han i jego zespół, posiadający doświadczenie w dziedzinie fal terahercowych i urządzeń elektronicznych, dołączyli do profesora nadzwyczajnego Dirka Englunda i zespołu Laboratorium Fotoniki Kwantowej, którzy zapewnili wiedzę z zakresu inżynierii kwantowej i włączyli się w przeprowadzanie eksperymentów kriogenicznych.

Do Hana i Englunda dołącza starszy autor i doktorant EECS, Jinchen Wang; dr Mohamed Ibrahim 2121; Isaac Harris, absolwent Laboratorium Fotoniki Kwantowej; Natan M. dr Monroe ’22; dr Wasiq Khan ’22; oraz Xiang Yi, były doktor habilitowany, obecnie profesor na Politechnice Południowochińskiej. Artykuł zostanie zaprezentowany na Międzynarodowej Konferencji Obwodów Ciała Stałego.

małe lusterka

Kwadratowy układ nadawczo-odbiorczy naukowców, który ma około dwóch milimetrów z każdej strony, jest umieszczony na komputerze kwantowym w lodówce, która nazywa się kriostatem, ponieważ utrzymuje tak niskie temperatury. Te ekstremalnie niskie temperatury nie uszkadzają chipa; W rzeczywistości pozwala mu działać wydajniej niż w temperaturze pokojowej.

Chip wysyła i odbiera dane ze źródła fal terahercowych na zewnątrz kriostatu za pomocą pasywnego procesu komunikacji znanego jako rozpraszanie wsteczne, które obejmuje odbicia. Szereg anten na górze chipa, z których każda ma rozmiar zaledwie około 200 mikrometrów, działa jak małe lusterka. Lustra te można „włączyć”, aby odbijały fale lub „wyłączyć”.

Źródło generujące fale terahercowe koduje dane na falach, które wysyła do kriostatu, a anteny w stanie „wyłączonym” mogą odbierać te fale i przenoszone przez nie dane.

Kiedy małe lusterka są włączone, można je ustawić tak, aby odbijały falę w jej obecnej formie lub odwracały jej fazę przed odbiciem. Jeśli odbita fala ma tę samą fazę, oznacza to 0, ale jeśli faza jest odwrócona, oznacza to 1. Elektronika na zewnątrz kriostatu może interpretować te sygnały binarne w celu dekodowania danych.

„Ta technologia rozpraszania wstecznego nie jest nowa. Na przykład RFID opiera się na komunikacji z rozproszeniem wstecznym. Zapożyczamy ten pomysł i umieszczamy go w tym bardzo wyjątkowym scenariuszu i myślę, że prowadzi to do dobrego połączenia wszystkich tych technologii” Han mówi.

Zalety terahercowe

Dane są przesyłane za pomocą szybkich fal terahercowych, które znajdują się w widmie elektromagnetycznym między falami radiowymi a światłem podczerwonym.

Ponieważ fale terahercowe są znacznie mniejsze niż fale radiowe, chip i jego anteny mogą być również mniejsze, co ułatwia produkcję urządzenia na dużą skalę. Fale terahercowe mają również wyższe częstotliwości niż fale radiowe, dzięki czemu mogą przesyłać dane szybciej i przesyłać większe ilości informacji.

Ale ponieważ fale terahercowe mają niższe częstotliwości niż fale świetlne stosowane w systemach fotonicznych, fale terahercowe przenoszą mniej szumów kwantowych, co skutkuje mniejszymi zakłóceniami w procesorach kwantowych.

Co ważne, układ nadawczo-odbiorczy i łącze terahercowe można w pełni zbudować przy użyciu standardowych procesów produkcyjnych na układzie CMOS, dzięki czemu można je zintegrować z wieloma istniejącymi systemami i technologiami.

„Ważna jest kompatybilność CMOS. Na przykład łącze terahercowe może zapisać dużą ilość danych i przekazać je do innego kontrolera krio-CMOS, który może podzielić sygnał, aby kontrolować wiele kubitów jednocześnie, dzięki czemu możemy znacznie zmniejszyć ilość RF okablowanie. Duże. To bardzo obiecujące. mówi Wang.

Naukowcy byli w stanie przesyłać dane z prędkością 4 gigabitów na sekundę za pomocą swojego prototypu, ale Han mówi, że niebo jest prawie granicą, jeśli chodzi o zwiększenie tej prędkości. Łącze downlink systemu bezkontaktowego generowało około 10 razy mniej ciepła niż system z metalowymi kablami, a temperatura kriostatu wahała się do kilku milistopni podczas eksperymentów.

Teraz, kiedy naukowcy zademonstrowali tę technologię bezprzewodową, chcą poprawić szybkość i wydajność systemu za pomocą specjalnych włókien terahercowych, które mają zaledwie kilkaset mikrometrów szerokości. Grupa Han ma Okazuje się, że są to plastikowe przewody Może przesyłać dane z prędkością 100Gbps i ma znacznie lepszą izolację termiczną niż grubsze metalowe kable.

Naukowcy chcą również udoskonalić konstrukcję nadajnika-odbiornika, aby poprawić skalowalność i jeszcze bardziej zwiększyć efektywność energetyczną. Generowanie fal terahercowych wymaga dużo energii, ale grupa Hana bada bardziej wydajne metody wykorzystujące tanie chipy. Zintegrowanie tej technologii z systemem może sprawić, że urządzenie będzie bardziej opłacalne.

Układ nadawczo-odbiorczy został wyprodukowany przez program Intel University Shuttle.

###

Adam Zoe, dział informacyjny MIT