Computersysteme, bekannt als Quantenprozessoren, verwenden die Quantenmechanik, um Daten zu verarbeiten und Berechnungen durchzuführen. Bei einigen Aufgaben können diese Systeme herkömmliche CPUs sowohl in Bezug auf Geschwindigkeit als auch auf Rechenleistung deutlich übertreffen.
In den letzten zehn Jahren haben Ingenieure eine Reihe vielversprechender Quantencomputersysteme entwickelt, aber die Skalierung dieser Systeme und die Sicherstellung, dass sie in großem Maßstab verwendet werden können, ist immer noch eine Herausforderung. Die Herstellung modularer Systeme mit mehreren kleinen Quantenmodulen, die einzeln kalibriert und dann zu einer größeren Architektur kombiniert werden können, ist eine Möglichkeit, die Skalierbarkeit von Quantenprozessoren zu erhöhen. Dies erfordert jedoch geeignete und effiziente Verbindungen (dh Geräte, die diese kleinen Module miteinander verbinden).
Von Wissenschaftlern der Southern University of Science and Technology, der International Quantum Academy und anderen Institutionen in China wurden kürzlich verlustarme Verbindungen geschaffen, um verschiedene Module in modularen supraleitenden Quantenprozessoren miteinander zu verbinden. Diese ursprünglich in Nature Electronics veröffentlichten Verbindungen basieren auf Impedanztransformatoren und reinen Aluminiumdrähten.
Youpeng Zhong, einer der Forscher, der die Studie leitete, sagte gegenüber Tech Xplore: „Unsere aktuelle Veröffentlichung baut auf den Kernprinzipien meiner Postdoc-Forschung auf, die ich an der University of Chicago durchgeführt habe, und wurde vor zwei Jahren in Nature veröffentlicht. In dieser Forschung habe ich zwei Quantenprozessoren mit einem supraleitenden Koaxialkabel aus Niob-Titan (NbTi) verbunden.“
In einer seiner früheren Forschungen versuchte Zhong, zwei verschiedene Quantencomputer mit supraleitenden NbTi-Kabeln zu verbinden, die häufig zum Entwerfen von Kryo-/Quantensystemen verwendet werden. Er versuchte, die Quantenchips mit dem angeschlossenen NbTi-Kabel zu verdrahten, um den Verbindungsverlust zu reduzieren.
Als sich dies als äußerst herausfordernd herausstellte, sagte Zhong: „Ich dachte daran, neue Kabel aus anderen supraleitenden Metallen wie Aluminium auszuprobieren, das das gleiche Material wie unsere Quantenschaltkreise ist. „Koaxialkabel aus reinem Aluminium sind nicht einfach von der Stange erhältlich, da sie weniger verlustbehaftet und schwieriger zu löten sind als Kupfer, was sie für Standardverdrahtungsanwendungen ungeeignet macht. Darüber hinaus ist die Supraleitungs-Übergangstemperatur niedriger als die Temperatur von flüssigem Helium.
Abgesehen von Anwendungen mit Quantenkonnektivität sind Anwendungen, die Koaxialkabel aus reinem Aluminium erfordern, selten.
Zhong kaufte speziell Koaxialkabel aus reinem Aluminium für seine innovativen verlustarmen Verbindungen und integrierten In-Chip-Impedanztransformatoren darin. Die resultierenden Verbindungen ließen sich leichter mit Quantenchips verbinden und hatten viel geringere Verluste (um eine Größenordnung) als herkömmliche Verbindungen, die mit NbTi-Kabeln gebaut wurden.
Reine Aluminiumkabel erwiesen sich laut Zhong als ideale Option für Quantenverbindungen. Unsere Verbindungen bestehen aus einer Drahtverbindung zwischen dem Kabel und dem Quantenchip, einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung, die als Impedanztransformator auf dem Quantenchip fungiert, und einem speziell angefertigten Aluminium-Koaxialkabel. Die Kabelverbindung wird durch den Impedanztransformator in der Verbindung des Teams in einen Stromknoten eines Stehwellenmodus umgewandelt, der zum Übertragen von Quantenzuständen verwendet wird. Dadurch wird der Widerstandsverlust an der Verbindungsstelle zwischen mehreren Quantenprozessoren stark reduziert.
„Unsere Ergebnisse erinnern uns daran, wie viel Verbesserungspotenzial wir haben können, wenn wir über den Tellerrand hinausblicken“, sagte Zhong. „Zum Beispiel legte die Arbeit von Charles Kao den Grundstein für Glasfasern, wie wir sie heute alle kennen: Mit einer Rekorddämpfung von 0,2 dB/km sind sie zum Rückgrat des modernen globalen Kommunikationsnetzes geworden – unverzichtbar für die Kurz- und Langstreckenkommunikation . Die transformative Wirkung dieser hochtechnischen und fast vernachlässigten materialwissenschaftlichen Forschung hat ihr 2009 die Hälfte des Nobelpreises für Physik eingebracht. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Edelstahl für Elon Musks Starship Mars Rocket.“
Die neueste Forschung dieser Gruppe von Wissenschaftlern zeigt das enorme Potenzial von Aluminiumkabeln für die Schaffung effizienter Verbindungen zur Verbindung von Verarbeitungsmodulen in modularen Quantencomputern. In naher Zukunft könnten andere modulare Systeme die von Zong und Kollegen entwickelte verlustarme Verbindung verwenden, was die laufenden Versuche vorantreibt, skalierbarere Quantenprozessoren zu entwickeln.
Zhong fuhr fort: „Einer meiner zukünftigen Forschungsschwerpunkte ist die Untersuchung von Quantenverschränkungstoren zwischen verschiedenen Quantencomputern. „Ein anderer versucht, eine große Anzahl von Modulen zusammenzusetzen, um die Größe von Quantenprozessoren zu erhöhen.“
Quelle: techxplore.com/news
Günceleme: 11/03/2023 13:01