Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали инновационное решение одной из ключевых проблем, препятствующих масштабированию квантовых компьютеров. Новая технология беспроводной терагерцовой (ТГц) криогенной связи, опубликованная в журнале Nature Electronics, может устранить существенные ограничения в коммуникации между квантовыми битами и внешними контроллерами.
Современные квантовые компьютеры сталкиваются с фундаментальной проблемой: кубиты должны работать при сверхнизких криогенных температурах, в то время как управляющая электроника функционирует при более высоких температурах. Традиционные методы соединения используют коаксиальные кабели или оптические интерконнекты, которые вносят избыточное тепло и шум в систему. Каждый микроволновый кабель создает нежелательный пассивный тепловой поток около 1 мВт. Для иллюстрации масштаба проблемы: 50-кубитный квантовый компьютер Google использует более 500 микроволновых кабелей, что делает дальнейшее масштабирование практически невозможным.
Энергетический бюджет в криогенных системах крайне ограничен, а для реализации полного потенциала квантовых вычислений требуются десятки тысяч или даже миллионы кубитов. При существующих технологиях соединения это технически недостижимо.
Решение MIT основано на комплементарной металл-оксид-полупроводниковой (КМОП) технологии и использует беспроводную связь для передачи контрольных сигналов и данных без пассивной тепловой нагрузки. Система работает в диапазоне 200-300 ГГц (терагерцовый диапазон) и применяет технику обратного рассеяния для коммуникации.
Техническая реализация предполагает размещение источников ТГц-излучения за пределами криогенной станции при комнатной температуре. ТГц-луч отправляется в качестве несущей волны в криогенную станцию, где модулируется данными считывания и отражается обратно. Система использует кросс-поляризацию, позволяющую восходящему и нисходящему каналам связи совместно использовать одну антенну. Ключевым элементом является холодный полевой транзистор в качестве ТГц-детектора с нулевым энергопотреблением.
Результаты испытаний показывают, что новая технология превосходит коммерческие микроволновые кабели с драйверами ввода-вывода. Энергоэффективность составляет 34 фДж/бит для нисходящего канала и 200 фДж/бит для восходящего. Важно отметить, что решение является доступным и может быть изготовлено с использованием стандартной КМОП-технологии.
Джинчен Ван, первый автор исследования, и его коллеги планируют дальнейшее развитие технологии, включая разработку многоканальной ТГц-линии передачи данных с фазированной решеткой. Исследователи прогнозируют, что их разработка может быть интегрирована в реальные квантовые вычислительные системы в течение 4-8 лет.
Эта технология может стать ключевым фактором в преодолении «узкого горла» масштабируемости квантовых компьютеров, приближая эру практических квантовых вычислений с тысячами и миллионами кубитов.
Изображение носит иллюстративный характер
Современные квантовые компьютеры сталкиваются с фундаментальной проблемой: кубиты должны работать при сверхнизких криогенных температурах, в то время как управляющая электроника функционирует при более высоких температурах. Традиционные методы соединения используют коаксиальные кабели или оптические интерконнекты, которые вносят избыточное тепло и шум в систему. Каждый микроволновый кабель создает нежелательный пассивный тепловой поток около 1 мВт. Для иллюстрации масштаба проблемы: 50-кубитный квантовый компьютер Google использует более 500 микроволновых кабелей, что делает дальнейшее масштабирование практически невозможным.
Энергетический бюджет в криогенных системах крайне ограничен, а для реализации полного потенциала квантовых вычислений требуются десятки тысяч или даже миллионы кубитов. При существующих технологиях соединения это технически недостижимо.
Решение MIT основано на комплементарной металл-оксид-полупроводниковой (КМОП) технологии и использует беспроводную связь для передачи контрольных сигналов и данных без пассивной тепловой нагрузки. Система работает в диапазоне 200-300 ГГц (терагерцовый диапазон) и применяет технику обратного рассеяния для коммуникации.
Техническая реализация предполагает размещение источников ТГц-излучения за пределами криогенной станции при комнатной температуре. ТГц-луч отправляется в качестве несущей волны в криогенную станцию, где модулируется данными считывания и отражается обратно. Система использует кросс-поляризацию, позволяющую восходящему и нисходящему каналам связи совместно использовать одну антенну. Ключевым элементом является холодный полевой транзистор в качестве ТГц-детектора с нулевым энергопотреблением.
Результаты испытаний показывают, что новая технология превосходит коммерческие микроволновые кабели с драйверами ввода-вывода. Энергоэффективность составляет 34 фДж/бит для нисходящего канала и 200 фДж/бит для восходящего. Важно отметить, что решение является доступным и может быть изготовлено с использованием стандартной КМОП-технологии.
Джинчен Ван, первый автор исследования, и его коллеги планируют дальнейшее развитие технологии, включая разработку многоканальной ТГц-линии передачи данных с фазированной решеткой. Исследователи прогнозируют, что их разработка может быть интегрирована в реальные квантовые вычислительные системы в течение 4-8 лет.
Эта технология может стать ключевым фактором в преодолении «узкого горла» масштабируемости квантовых компьютеров, приближая эру практических квантовых вычислений с тысячами и миллионами кубитов.
