התפקיד הקריטי של Cryogenic ADCs ב- Quantum Computing Interfaces

מחשוב קוונטי עומד בחזית של מהפכה חישובית, פריצות דרך מבטיחות בקריפטוגרפיה, חומרים מדע וסימולציה מערכת מורכבת. בלב כל מעבד קוונטי הוא ממשק עדין בין המצב הקוונטי השברירי לבין האלקטרוניקה הקלאסית השולטת וקוראת אותו.הרופא-ל-דיגיטלי של המרת רדיו-זמן (ADC) הוא מרכיב חיוני של ממשק זה, אשר מופעל עם אותות אנלוגיים - כגון קריאה של דרישות חד-כימות לרעשים לא-כימות-מיים-כימות-מיים-מיים-כימות-כימות-כימות-מיים-כימות-כימות-כימות-מיים-אין-טווח-עצמיים-עצמיים-אין-אין-עצמיים-כימות-כימות-לתקן-כימות-אין-עצמיים-כימות-אין-כימות-כימות-אין-אין-אין-אין-אין-כימות-כימות-כימות-כימות-כימות-כימות-אין-כי-כי-אין-כי-כי-כי-אין-אין-אין-כי-כי-אין-אין-כי-כי-כי-טווח-כי-קלי-קל-קלי-אין-ידי עיבוד-קל

למה Cry ADCs הם חיוניים למחשבים קוונטיים

(ב) ביטים קוונטיים, או qubits, מסתמכים על תופעות מכניות קוונטיות כגון סופרפוזיציה וסבך.כדי לשמר את הכפירה - היכולת של qubits לשמור על מצב הקוונטי שלהם מספיק זמן כדי לבצע חישובים - המערכת כולה חייבת להיות מבודדת מתנודות תרמיות.זה מושגת על ידי הצבת המעבד הקוונטי בתוך מקרר דילול, שבו טמפרטורות מרחפות סביב 10-100ikelird זה לא מפריע לטמפרטורות תרמיות (Fk)

עם זאת, קריאה במצב של qubit דורשת מדידת אותות חלשים מאוד, לעתים קרובות ברמה של כמה פוטונים או מטען אלקטרוני יחיד. ADC מסורתי, אפילו ביצועים גבוהים אחד המיועד לטמפרטורת החדר, יניב חום ורעש גבוה כאשר ממוקם ליד מעבד קוונטית, פועל גם כבלים קואקסיאליים ארוכים מן ה- זעקה ל-tempture-tempture מציג אלקטרוניקה, אות קליטה מהירה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, במהירות גבוהה יותר, למקרר, לכווץ במהירות גבוהה יותר, יכול להיות מסוגל לשפר את אותות קואלוגניבה.

ראשי התיבות של Cryogenic ADCs

תכנון ADC עבור פעילות Cryogenic כרוך בהתחברות בין מספר פרמטרים קריטיים:

  • (FLT:0) פיזור כוח: 1FLT:1 כל מילימטר של חום שנוצר בתוך הצעקה חייב להיות הוסר על ידי מערכת קירור. ADCs חייב לצרוך מעט כוח ככל האפשר - לעתים קרובות פחות מאשר כמה מילימטרים - כדי למנוע את קיבולת הקירור.
  • (FLT:0) ביצועים: FLT:1 בטמפרטורות מילימטריקלווין, מקורות הרעש הדומיננטיים הופכים ל flicker (1/f) רעש ורעש קוונטי. ADCs חייב להשיג יחס אות לרעש (SNR) מעל 60 dB תוך טיפול אותות קלט בטווח המיקרווולט.
  • (FLT:0Sampling rate and רוחב פס:FLT:1 קראout של הרבה qubits במקביל משוב לתיקון שגיאות דורש שיעורי דגימה מעשרות מגהץ למספר ג'יגההרצץ, בהתאם למודוליות של qubit (למשל, מוליכים על פני השטח לעומת ספין).
  • (FLT:0) צפיפות האינטגרציה:FLT:1ure קוונטי מעבדים עתידיים מכיל אלפי או מיליוני qubits.כל qubit עשוי לדרוש ערוץ ADC משלו.

חידושים חדשים ב Cryogenic ADC Technologies

בשנים האחרונות, כמה ארכיטקטורות ADC מבטיחות הופיעו כי לפעול באופן אמין בטמפרטורות תת-1 K. החידושים האלה ממנפים אלקטרוניקה על-מוליכים, תהליכים מתקדמים למחצה, ושילובים היברידיים של השניים.

ADCs מבוסס על צומת ג'וזףסון

מעגלים מורכבים מציעים את הרעש הנמוך ביותר האפשרי ואת הניתוק כוח כי הם פועלים עם אפס התנגדות חשמלית ויכולים להשתמש אפקטים קוונטיים-מכניים עבור קוונטיזציה.הטכנולוגיה העל-הבוגרה ביותר כיום היא FLT:0Josephson צומת-קופטרוס מבוסס קומפואר FLT:1, אשר תחת טכנולוגיית יחיד-Flux-Quantum (RSQ) המשפחה.

ב RSFQ ADC, רכבת של קוונטית חד-פעמי (fluxons) נוצרת ומונעת על ידי אות קלט.כל פלוקסון מייצג יחידה קוונטית של נוזל מגנטי (~2.07 × 10FLT:0uaFLT:0uaFLT 1 Wb) על ידי ספירת מספר פלוקסים על פני חלון קבוע, המכשיר מבצע אנלוגי מדויק לכדי צורך בגודל של מיקרו-DC נמוך יותר מאשר לנפח של שעון רגיל.

עבודה אחרונה ב-[[1924]] ב[[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], היא [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1966]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]],

מגבלות על ADCs

למרות הביצועים יוצאי הדופן שלהם, צומת של superconducting ADCs דורש תהליכי ייצור שאינם עדיין מתאימים עם CMOS סטנדרטית.הצורך של צומת ג'וזףסון מבוסס חנקן וטכניקות נטייה מיוחדת מגביר את העלות ואת הקיבולת הדרגתית.בנוסף, שילוב אלה superconducting ADCs עם אלקטרוניקה בקרה קלאסית (למשל, FPGA- גנרטורים) עדיין דורש קריאות מבוכות בין רשתות בין או חבילות היברידיות.

Cry CMOS ADCs: Leveraging Advanced Semiconductor Technology

גישה חלופית מפצה על התשתית העצומה של מתכת-תחמוצת-פחמיטור (CMOS) ייצור. CMOS סטנדרטית פועל גרוע בטמפרטורות מבוכות עקב ההקפאה של נושאת, משמרות סף-התקפה, ולהגדיל רעש נמוך- ⁇ .עם זאת, באמצעות ערוצים דו-פעפיים, ארכיטקטורות מיוחדות (כמו לחלוטין depleted סיליקון-onulinul, F-DSO), וחוקרים זהירים, אפילו CMOS, CMOS, CMSO, יש צורך נמוך יותר.

לא ברור, מודולטור מתמשך של דלה-סגמה המיושמת ב-28 nm FD-SOI השיג 14-bit ENOB ב 100 MHz תוך ניתוק רק 8 מ"ו - דמות שמקובלת על יישומים רבים בכפגניים. היתרון המרכזי של CMOS בוכה הוא תאימות עם סינתזה דיגיטלית ועיצוב, המאפשרת זרימת מערכת מורכבת-SoC) ושילוב זיכרון יחיד (C) כולל עיבוד זיכרון יחיד.

ההתקדמות האחרונה של ההרחבה:0 (Interuniversity Microelectronics Center) ⁇ 1 ו-conortia מחקר אחרים הוכיחו את ADCs תפעולי מלא ב 10 mK, המציין כי CMOS מותאם אישית יכול לתפקד היטב לתוך משטר מילימטריקלווין הנדרש עבור qubits מוליכים על ידי superconducting.

Superconductor -CMOS ADCs

גישה שלישית משכנעת משלבת את הטוב ביותר של שני העולמות: מגבר חזיתי על-ידי קדמית לרגישות האולטימטיבית וסוף CMOS חזרה לעיבוד אותות דיגיטליים.לדוגמה, מגבר ג'וזף מגבר יכול מראש להגביר את אות ה-qubit קורא לפני להאכיל אותו לתוך CMOS ADC בוכה, לחלופין, לוגיקה דיגיטלית חד-פעמית ניתן להשתמש כדי לבצע סינון ראשוני או סינון נתונים ברמה של CMOS.

חוקרים מאוניברסיטת מינכן (Marysph:0) הציגו מערכת היברידית שבה ADC מאגד את התפוקה של מחוקק קוראי טרנסמון, והזרם הדיגיטלי המתקבל מעובד על ידי מערכת תלת-זמנית של חדר-זמנית FPGA.

אתגרים ב-Scaling Cryogenic ADCs עבור מעבדים קוונטיים גדולים

בעוד שהתקני אב הטיפוס המתוארים לעיל הם מרשים, כמה מהמכשולים העיקריים נשארים לפני ש- ADC בוכה יכול להיות פרוס במחשבים קוונטיים חסרי סובלנות עם אלפי נקודות תורות הגיוניות.

דיסיפוציה חמה וניהול התרמומי

כל רכיב אלקטרוני בתוך הצעקות תורם עומס חום למקרר הדילול.הכוח הקירור בשלב התאי תערובת (שם שוכנים) הוא בדרך כלל רק כמה מאות מיקרו-וואט.אפילו ADC שצרכו 10 מ'W היה מעלה באופן דרמטי את הטמפרטורה הבסיסית, מסכנת קוהרנטיות של qubit. ADCs עתיד חייב לכוון צריכת חשמל תת-מילימטרית, אולי על ידי ניצול לוגיקה מינימלית או מתודולוגית.

חיבור וחבילה

Wiring בין מעבד קוונטי, Cryogenic ADC, ואלקטרוניקה של החדר מציג צוואר בקבוק חמור. שבב קוונטי עם 10,000 qubits יכול לדרוש 20,000 או יותר כבלים קואקסיליים אם כל qubit צריך מתגים אנלוגיים נפרדים. Cryogenic ADCs יכול להפחית את המספר הזה על ידי מספר מרוביםxing: ADC אחד יכול לעשות אותות מ הרבה qubit, או על ידי זמן מתגים או נמוך, צריך סמן, עם זאת, 000.

טכניקות אריזה מתקדמות, כגון interposers עם superconducting דרך silicon דרך (TSVs) ו-p אג'ינג, מפותחים כדי לשלב ADCs ישירות על המעבד הקוונטי substrate.זה יקצר באופן דרסטי את אורך החיבור ולהפחית parasitics. The FLT:0MIT Lincoln מעבדהFLT:1 דווח על מוליכים superposing interposers כי יכול לדגום בין שבב פוטנציאלי ל- ASCM2togenic.

אחריות ארוכת טווח ויציבות חומרית

Cryogenic ADCs חייב לשמור על ביצועים יציבים על תקופות ארוכות - לעתים קרובות שבועות או חודשים של פעילות רציפה.רכיב אופניים בין טמפרטורת החדר ו 10 mK יכול לגרום ללחץ מכני, לגרום כישלונות חוט-bond, ו degrad ג'וזףסון או שכבות תחמוצות.יתר על כן, בטמפרטורות Cryogenic, דינמיות ואלקטרומיגולציה מדכאים, אך השפעות חמות ותופעות נטייה בטמפרטורה בטמפרטורות מתוחכמות עדיין יכולות לשפר את הביצועים של לחץ דם גבוה (אונדגניים).

כיוונים עתידיים: לקראת שליטה מלאה בכיתות

במבט קדימה, שילוב של ADCs עם אלקטרוניקה אחרים שליטה לקריאה - כגון ממירים דיגיטליים-לנאלוג (DACs), גנרטורים גלפורים שרירותיים, ושעוןים ג'יג'יר נמוך - במערכת מבועתת אחת - על שבב יהיה חיוני עבור קנה מחשבים קוונטיים.

מילימטר-וייב וטרחנץ ADCs עבור Spin Qubits

כמה qubit Modalities, כגון ספין ספין מבוסס סיליקון או qubitological העליון, דורשים לקרוא בתדרים בעשרות ג'יגההרץ או אפילו teratz. ADCs אשר יכול באופן ישיר מדגם כזה אותות גבוה ⁇ ללא הדבקה למטה יהיה לפשט את שרשרת הקריאה ולהפחית את מיקסרים מוליכים מגע בשילוב עם ג'וזף צומתsonrs הוכיחו יעיל של אותות כדי להגיע 100 אינץ 'אטורים פעיל של יכולות גל.

תיקון של משככי כאבים וטעויות בזמן אמת

אחת האפליקציות התובעניות ביותר עבור ADCs בוכה היא תיקון שגיאות בזמן אמת.כדי לתקן טעות חד פעמית, את תוצאות המדידה יש להיות דיגיטלית, מעובד, ואכילה בחזרה ל-qubit בתוך כמה מאות ננו-שניות - מהר יותר מאשר זמן השבתה של ה-qubitogenic.זה דורש ADCs עם טמפרטורות נמוכות מאוד (sub-n) וגבוהות באמצעות מוסכמות מסחר כגון הדבקה).

Machine Learning Optimized ADC Designs

מכונות למידה וכלים עיצוב מונעים על ידי AI מתחילים להיות מיושם על ידי אופטימיזציה של ADCs. על ידי שימוש בדור הפריסה האוטומטית ולמידה חיזוק לחקור את שטח העיצוב העצום - במיוחד עבור לוגיקה צומת ג'וזףסון - חוקרים יכולים לתכנס במהירות על מעגלים להתנצלות כי מאזן כוח, מהירות, ורעש. מחקר עדכני מ FLT:0 Google Quantum AIFLT:1 השתמש ברשת עצבית כדי לעצב מותאם אישית עם צריכת חשמל SAR יותר מאשר מנוע טוב יותר מאשר מנוע.

המונחים: Quantum Computing Performance

הפיתוח של ADCs מבוהלים ביצועים גבוהים משפיע ישירות על ההיקף והנאמנות של מחשבים קוונטיים. Better ADCs מאפשר:

  • (ב) ⁇ :0) קראט fidelity: ההרחבה 1 (FLT:1) הפחתה של רעש ופתרון גבוה יותר מאפשר אפליה בין מדינות qubit עם פחות ממוצעי מדידה, הורדת השגיאה לכל שער.
  • (FLT:0)Faster להאכיל קדימה:FLT:1ird-latency ADC ניתן להשתמש בפעולות מצב בזמן אמת, כגון המדידות ביניים שערים הסתגלות, אשר חיוניים עבור אלגוריתמים קוונטיים רבים וקודי תיקון שגיאות.
  • (FLT:0) ,Reduced overhead:03FLT:1 ; ADCs מבוהלים מרובים לחתוך באופן דרסטי את מספר הכבלים ואת רכיבי חיבור חם, לפשט עיצוב Cryostat ומאפשר מערךי qubit גדולים יותר.
  • (FLT:0) אמינות המערכת מוכחת: FLT:1 integrating all אלקטרוניקה בקרה קלאסית באותה טמפרטורה כמו ה-qubits להפחית ⁇ s תרמיים וסטרס מכני, המוביל לחיים תפעוליים ארוכים יותר.

בעוד תעשיית מחשוב קוונטית נעה בין מאות לאלפים ובסופו של דבר מיליוני qubits, הממשק בין השכבות הקוונטיות והקלאסיות יהפוך לצוואר הבקבוק של Cryogenic ADCs יושב באותו צומת, והמשך התקדמותם הוא אחד מהמאפשרים הקריטיים ביותר עבור מחשבים קוונטיים מעשיים.

מסקנה

חידושים ב-ADCs Cryogenic ו- Low-temperature הם לעצב מחדש את הנוף של ממשקי מחשוב קוונטיים.מ-על-פי מוליכים את ה-Joseson מבוססי-כאטים ל-CMOS ואדריכלות היברידית, התחום ראה התקדמות יוצאת דופן ברגישות, מהירות ודחיסות האינטגרציה.אתגרים הקשורים לסטארט-אפים סטנדרטיים של כוח, אריזה ואמינות ארוכת טווח, אך מחקר פעיל ברחבי העולם נמצא באופן עקבי בין המעבדות דיגיטליות, אשר נמצאו באופן מלא, וגלוכותרות, קרוב לערים, וגלויות, קרוב לערים, וגלומיות, וגלויות, קרוב ל-ידי DDC, אשר עשויות להיות משולבות, וחדשניות, ובאופן מלא, הן יכולות, וחדשניות, הן יכולות, וחדשניות, הן יכולות להיות משולבות, הן יכולות להיות משולבות, וחדשניות, הן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות, והן יכולות להיות משולבות מתקדמות לחלוטין, כלומר, והן יכולות להיות משולבות,