Poszukiwanie potężniejszych komputerów kwantowych może zależeć od technologii odrzuconej kilkadziesiąt lat temu: obwodów nadprzewodzących. Chociaż w latach 80. XX wieku pojawił się początkowy szum wokół tych ultrawydajnych komponentów, ostatecznie ustąpiły one miejsca tradycyjnym, generującym ciepło chipom. Obecnie do tego podejścia powraca nowe pokolenie badaczy, które może radykalnie poprawić skalowalność i wydajność obliczeń kwantowych.
Zapomniana obietnica nadprzewodnictwa
W 1980 roku IBM poczynił znaczne inwestycje w technologię nadprzewodnictwa, marząc o komputerach, które minimalizują straty energii i maksymalizują wydajność. Naukowiec umieścił nawet na okładce obwód nadprzewodzący, sygnalizując dostrzegalny potencjał tej technologii. Jednak konieczność utrzymania ekstremalnie niskich temperatur okazała się zbyt kosztowna i niepraktyczna, co skłoniło IBM do porzucenia tego pomysłu do 1983 roku. Pomimo tego niepowodzenia podstawowe zasady pozostały ważne.
SEEQC: Ożywienie nadprzewodnictwa na granicy
Jedna z firm, SEEQC, aktywnie przywraca to podejście. Ich placówka w stanie Nowy Jork kontynuuje badania rozpoczęte w ramach zastrzeżonego programu obliczeniowego IBM dotyczącego nadprzewodnictwa. Celem firmy jest wykorzystanie chipów nadprzewodzących do przezwyciężenia obecnych ograniczeń w projektowaniu komputerów kwantowych. Ich proces produkcyjny polega na ostrożnym osadzaniu ultracienkich warstw niobu na materiałach dielektrycznych, tworząc delikatne struktury potrzebne do operacji kwantowych.
Kluczowe zagadnienie: efektywność energetyczna w obliczeniach kwantowych
Tradycyjne komputery marnują energię w postaci ciepła, przez co stają się nieefektywne na dużą skalę. Informatyk Michael Frank zauważył, że typowy komputer to zasadniczo drogi grzejnik, który ma niewielkie skutki uboczne w zakresie obliczeń. Elementy nadprzewodzące natomiast przesyłają prąd z doskonałą wydajnością, eliminując te straty. Wyzwaniem jest utrzymanie ekstremalnie niskiego poziomu wymaganego dla nadprzewodnictwa – zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego.
Druga szansa na obliczenia kwantowe z wykorzystaniem nadprzewodników
Nadprzewodniki pojawiły się ponownie pod koniec lat 90. XX wieku wraz z utworzeniem pierwszego kubitu nadprzewodzącego. Oznaczało to przejście od replikowania tradycyjnego przetwarzania do odkrywania zupełnie nowych paradygmatów przetwarzania. Obecnie Google i IBM wykorzystują nadprzewodzące kubity w swoich najpotężniejszych komputerach kwantowych, demonstrując potencjalne przełomy w rozwiązywaniu problemów naukowych.
Wąskie gardło: skalowanie systemów kwantowych
Pomimo tych postępów komputery kwantowe nadal są ograniczone praktycznymi wyzwaniami inżynieryjnymi. Dodanie większej liczby kubitów – podstawowych elementów obliczeń kwantowych – wymaga wykładniczego wzrostu liczby mechanizmów kontrolnych i kabli. Nadmierna złożoność fizyczna powoduje wydzielanie ciepła, pogarsza wydajność kubitu i ostatecznie ogranicza skalowalność.
Rozwiązanie SEEQC: Zintegrowane nadprzewodzące chipy sterujące
Innowacja SEEQC rozwiązuje ten problem. Opracowali chip integrujący nadprzewodzące kubity z nadprzewodzącym obwodem sterującym. Konstrukcja ta eliminuje potrzebę stosowania nieporęcznych, energochłonnych komponentów pracujących w temperaturze pokojowej, które obecnie dominują w architekturze komputerów kwantowych.
Kluczowe korzyści obejmują:
- Zmniejszenie rozpraszania ciepła: Utrzymując wszystkie komponenty w tym samym środowisku kriogenicznym, system minimalizuje zewnętrzne zakłócenia termiczne.
- Efektywność energetyczna: Nadprzewodzący chip kontrolny zużywa ułamek energii w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań alternatywnych, potencjalnie poprawiając efektywność energetyczną miliard razy.
- Uproszczona architektura: Zintegrowana konstrukcja zmniejsza złożoność okablowania i opóźnienia sygnału, jednocześnie poprawiając kontrolę kubitów i korekcję błędów.
Droga przed nami
SEEQC testuje obecnie swoje chipy z różnymi konstrukcjami kubitów, uzyskując obiecujące wstępne wyniki. Jednak skalowanie do maszyn o liczbie milionów kubitów, jakie założyli badacze tacy jak David DiVincenzo, pozostaje poważnym wyzwaniem. Firma zajmuje się także podstawowymi problemami fizycznymi, takimi jak zapobieganie zakłócaniu działania kubitów przez wiry kwantowe.
Ostatecznie odrodzenie technologii nadprzewodzącej z lat 80. XX wieku może na nowo zdefiniować przyszłość obliczeń kwantowych. Optymalizując architekturę i maksymalizując wydajność, podejście SEEQC oferuje drogę do wydajniejszych, skalowalnych i odpornych systemów kwantowych.
