Forskare och ingenjörer från QuTech i Nederländerna och från Intel Corp., designade och testade gemensamt ett chip för att styra qubits som kan fungera vid extremt låga temperaturer, och öppnar dörren för att lösa "ledningsflaskhalsen, " ett viktigt steg mot en skalbar kvantdator. Deras resultat publiceras i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Varje basenhet i en kvantdator, en qubit, adresseras vanligtvis individuellt av en enda tråd. "Detta står i vägen för en skalbar kvantdator, eftersom miljontals qubits skulle kräva miljontals ledningar, förklarar ledande utredare Lieven Vandersypen från QuTech. "Detta kallas "flaskhalsen för ledningar." I traditionella datorer har en modern processor med miljarder transistorer bara några tusen anslutningar. De kryogena temperaturerna vid vilka qubits fungerar (20 millikelvin, eller cirka -273 grader Celsius) komplicerar användningen av traditionella lösningar." Ett sådant chip kunde helt enkelt inte uthärda de extrema temperaturerna, så ett nytt kryogent kontrollchip har designats och testats.

Intel Horse Ridge

Ingenjörer på Intel och QuTech – ett samarbete mellan Delft University of Technology och TNO, den nederländska organisationen för tillämpad vetenskaplig forskning – designade en speciell kiselbaserad integrerad krets som klarar kyla (3 grader Celsius över absolut noll) och även adresserar qubits. Det så kallade "Horse Ridge"-chipet är uppkallat efter den kallaste platsen i Oregon, delstaten där Intel-labbet finns.

"Vi utnyttjade samma teknik som användes för den konventionella mikroprocessorn, CMOS-tekniken. För Horse Ridge, vi använde specifikt Intel 22nm lågeffekt FinFET-teknik." sa co-lead utredare Edoardo Charbon, chef för EPFL:s Advanced Quantum Architecture Laboratory. "Eftersom elektroniska enheter fungerar väldigt olika vid kryogena temperaturer, vi använde speciella tekniker i chipdesignen både för att säkerställa rätt drift och för att driva qubits med hög noggrannhet." I slutändan kan kontrollerchip och qubits integreras på samma dyna (eftersom de alla är tillverkade i kisel) eller paket, vilket ytterligare avlastar flaskhalsen i ledningsdragningen.

Hög trohet och god programmerbarhet

För att bedöma kvaliteten på det kryogena Horse Ridge-kontrollchipset jämfördes det med en klassisk rumstemperaturregulator. Det visar sig att systemets gatetrohet är mycket hög (99,7%) och begränsas inte av styrenheten utan av själva qubitarna. Det är goda nyheter för prestandan hos det kryogena kontrollchippet.

Nästa, styrenhetens programmerbarhet visades upp med hjälp av en kvantalgoritm med två kvantbitar. Deutsch–Jozsa-algoritmen är en av de enklaste algoritmerna som är mycket effektivare på en kvantdator än en traditionell dator. Detta visar förmågan att programmera kontrollchippet med godtyckliga operationssekvenser, och öppnar vägen för implementering på chip och en verkligt skalbar kvantdator.