Qubit Berlian MIT Mendefinisikan Ulang Masa Depan Komputasi Kuantum

Sistem kuantum-pada-chip baru memungkinkan kontrol efisien dari sejumlah besar qubit, yang mengarah ke praktik komputasi kuantum.

Peneliti di Universitas Massachusetts dan MITRE telah mengembangkan platform perangkat keras kuantum modular yang dapat diskalakan, yang menggabungkan ribuan qubit pada satu chip, yang menjanjikan kontrol dan skalabilitas yang lebih baik. Dengan memanfaatkan pusat warna berlian, arsitektur baru ini mendukung jaringan komunikasi kuantum yang luas dan memperkenalkan proses fabrikasi penguncian dan pelepasan yang inovatif untuk mengintegrasikan qubit ini secara efisien dengan teknologi semikonduktor yang ada.

Potensi Komputasi Kuantum

Bayangkan jika Anda dapat memecahkan masalah yang sangat rumit dengan cepat, yang mungkin memerlukan waktu puluhan tahun untuk dipecahkan oleh superkomputer terkuat di dunia. Inilah janji komputer kuantum.

Akan tetapi, mewujudkan kemampuan ini memerlukan pembangunan sistem dengan jutaan blok penyusun yang saling terhubung yang disebut qubit. Membuat dan mengendalikan begitu banyak qubit dalam arsitektur perangkat keras merupakan tantangan besar yang sedang diupayakan oleh para ilmuwan di seluruh dunia.

Kemajuan dalam Perangkat Keras Kuantum

Untuk mencapai tujuan ini, para peneliti di MIT dan MITRE telah menunjukkan platform perangkat keras modular yang dapat diskalakan yang mengintegrasikan ribuan qubit yang saling terhubung ke dalam sirkuit terpadu yang disesuaikan. Arsitektur “sistem kuantum pada chip” (QSoC) ini memungkinkan para peneliti untuk menyetel dan mengendalikan susunan qubit yang padat secara tepat. Beberapa chip dapat dihubungkan menggunakan jaringan optik untuk menciptakan jaringan komunikasi kuantum berskala besar.

Dengan menyetel qubit di 11 saluran frekuensi, arsitektur QSoC ini memungkinkan protokol baru yang diusulkan berupa “entanglement multiplexing” untuk komputasi kuantum skala besar.

Pembuatan Chip Kuantum yang Inovatif

Tim ini menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk menyempurnakan proses rumit dalam pembuatan susunan dua dimensi atommikrochip qubit berukuran 1,5 inci dan mentransfer ribuan qubit tersebut ke dalam chip semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) yang disiapkan dengan saksama. Switch ini dapat dilakukan dalam satu langkah.

“Kita akan membutuhkan sejumlah besar qubit, dan kontrol yang hebat atas qubit tersebut, untuk benar-benar memanfaatkan kekuatan sistem kuantum dan membuatnya berguna. Kami mengusulkan arsitektur baru dan teknologi fabrikasi yang dapat mendukung persyaratan skalabilitas sistem perangkat keras untuk komputer kuantum,” kata Linsen Li, mahasiswa pascasarjana teknik elektro dan ilmu komputer (EECS) dan penulis utama makalah tentang arsitektur ini.

Rekan penulis Li termasuk Ruonan Han, seorang profesor madya di EECS, pemimpin Terahertz Built-in Electronics Group, dan anggota Analysis Laboratory of Electronics (RLE); penulis senior Dirk Englund, profesor EECS, peneliti utama Quantum Photonics and Synthetic Intelligence Group dan RLE; serta yang lain di MIT, Cornell College, Delft Institute of Know-how, US Military Analysis Laboratory, dan MITRE Company. Makalah ini diterbitkan baru-baru ini di Alam.

Sifat Unik Pusat Warna Berlian

Meskipun ada banyak jenis qubit, para peneliti memilih untuk menggunakan pusat warna berlian karena keunggulan skalabilitasnya. Mereka sebelumnya menggunakan qubit tersebut untuk menghasilkan chip kuantum terintegrasi dengan sirkuit fotonik.

Qubit yang terbuat dari pusat warna berlian adalah “atom buatan” yang membawa informasi kuantum. Karena pusat warna berlian adalah sistem solid-state, pembuatan qubit kompatibel dengan proses fabrikasi semikonduktor fashionable. Qubit juga kompak dan memiliki waktu koherensi yang relatif lama, yang mengacu pada jumlah waktu standing qubit tetap stabil, karena lingkungan bersih yang disediakan oleh materials berlian.

Selain itu, pusat warna berlian memiliki antarmuka fotonik yang memungkinkannya untuk dijalin atau dihubungkan dari jarak jauh dengan qubit lain yang tidak berdekatan dengannya.

“Asumsi konvensional di lapangan adalah bahwa ketidakhomogenan pusat warna berlian merupakan kelemahan dibandingkan dengan memori kuantum yang identik seperti ion dan atom netral. Namun, kami mengubah tantangan ini menjadi keuntungan dengan merangkul keragaman atom buatan: Setiap atom memiliki frekuensi spektralnya sendiri. Hal ini memungkinkan kami untuk berkomunikasi dengan atom-atom particular person dengan menyetel tegangan mereka ke dalam resonansi dengan laser, seperti menyetel tombol pada radio kecil,” kata Englund.

Tantangan Komunikasi dan Kontrol Kuantum

Hal ini terutama sulit karena para peneliti harus mencapainya dalam skala besar untuk mengimbangi ketidakhomogenan qubit dalam sistem yang besar.

Untuk berkomunikasi lintas qubit, mereka perlu memiliki beberapa “radio kuantum” yang tersambung ke saluran yang sama. Mencapai kondisi ini hampir pasti terjadi saat penskalaan hingga ribuan qubit. Untuk tujuan ini, para peneliti mengatasi tantangan tersebut dengan mengintegrasikan sejumlah besar qubit pusat warna berlian ke dalam chip CMOS yang menyediakan tombol kontrol. Chip tersebut dapat digabungkan dengan logika digital bawaan yang dengan cepat dan otomatis mengonfigurasi ulang voltase, yang memungkinkan qubit mencapai konektivitas penuh.

“Hal ini mengimbangi sifat sistem yang tidak homogen. Dengan platform CMOS, kami dapat menyetel semua frekuensi qubit dengan cepat dan dinamis,” jelas Li.

Pembuatan Kunci dan Lepas

Untuk membangun QSoC ini, para peneliti mengembangkan proses fabrikasi untuk mentransfer “mikrochiplet” pusat warna berlian ke backplane CMOS dalam skala besar.

Mereka memulai dengan membuat serangkaian mikrochiplet pusat warna berlian dari blok berlian padat. Mereka juga merancang dan membuat skala nano antena optik yang memungkinkan pengumpulan foton yang dipancarkan oleh qubit pusat warna di ruang bebas secara lebih efisien.

Kemudian, mereka merancang dan memetakan chip dari pabrik semikonduktor. Bekerja di ruang bersih MIT.nano, mereka melakukan pascaproses pada chip CMOS untuk menambahkan soket skala mikro yang sesuai dengan susunan mikrochip berlian.

Mereka membangun perangkat switch inside di laboratorium dan menerapkan proses penguncian dan pelepasan untuk mengintegrasikan kedua lapisan dengan mengunci mikrochip berlian ke dalam soket pada chip CMOS. Karena mikrochip berlian terikat lemah pada permukaan berlian, saat melepaskan berlian besar secara horizontal, mikrochip tetap berada di soket.

“Karena kami dapat mengendalikan pembuatan berlian dan chip CMOS, kami dapat membuat pola yang saling melengkapi. Dengan cara ini, kami dapat mentransfer ribuan kepingan berlian ke soket yang sesuai secara bersamaan,” kata Li.

Para peneliti menunjukkan switch space 500 mikron x 500 mikron untuk array dengan 1.024 nanoantena berlian, tetapi mereka dapat menggunakan array berlian yang lebih besar dan chip CMOS yang lebih besar untuk meningkatkan skala sistem lebih jauh. Bahkan, mereka menemukan bahwa dengan lebih banyak qubit, penyetelan frekuensi sebenarnya memerlukan lebih sedikit tegangan untuk arsitektur ini.

“Dalam kasus ini, jika Anda memiliki lebih banyak qubit, arsitektur kami akan bekerja lebih baik,” kata Li.

Prospek Masa Depan dan Pengujian Kinerja

Tim menguji banyak nanostruktur sebelum menentukan susunan mikrochip yang ideally suited untuk proses penguncian dan pelepasan. Namun, membuat mikrochip kuantum bukanlah tugas yang mudah, dan prosesnya membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk menyempurnakannya.

“Kami telah mengulangi dan mengembangkan resep untuk membuat nanostruktur berlian ini di ruang bersih MIT, tetapi ini adalah proses yang sangat rumit. Diperlukan 19 langkah pembuatan nano untuk mendapatkan mikrochip kuantum berlian, dan langkah-langkahnya tidak mudah,” tambahnya.

Bersamaan dengan QSoC mereka, para peneliti mengembangkan pendekatan untuk mengkarakterisasi sistem dan mengukur kinerjanya dalam skala besar. Untuk melakukan ini, mereka membangun pengaturan metrologi krio-optik khusus.

Dengan menggunakan teknik ini, mereka mendemonstrasikan seluruh chip dengan lebih dari 4.000 qubit yang dapat disetel ke frekuensi yang sama sambil mempertahankan sifat spin dan optiknya. Mereka juga membangun simulasi digital twin yang menghubungkan eksperimen dengan pemodelan digital, yang membantu mereka memahami akar penyebab fenomena yang diamati dan menentukan cara mengimplementasikan arsitektur secara efisien.

Di masa mendatang, para peneliti dapat meningkatkan kinerja sistem mereka dengan menyempurnakan materials yang mereka gunakan untuk membuat qubit atau mengembangkan proses kontrol yang lebih presisi. Mereka juga dapat menerapkan arsitektur ini ke sistem kuantum solid-state lainnya.

Referensi: “Integrasi heterogen spin–foton “antarmuka dengan platform CMOS” oleh Linsen Li, Lorenzo De Santis, Isaac BW Harris, Kevin C. Chen, Yihuai Gao, Ian Christen, Hyeongrak Choi, Matthew Trusheim, Yixuan Music, Carlos Errando-Herranz, Jiahui Du, Yong Hu, Genevieve Clark, Mohamed I. Ibrahim, Gerald Gilbert, Ruonan Han dan Dirk Englund, 29 Mei 2024, Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41586-024-07371-7

Pekerjaan ini didukung oleh Program Quantum Moonshot MITRE Company, Yayasan Sains Nasional AS, Kantor Penelitian Angkatan Darat AS, Pusat Jaringan Kuantum, dan Program Penelitian dan Inovasi Horizon 2020 Uni Eropa.