מחשוב קוונטי מתקדם במהירות, מבטיח לשנות את האופן שבו אנו מעבדים מידע על פני תעשיות החל מקריפטוגרפיה וגילוי סמים לאקלים מודלים ואינטליגנציה מלאכותית.במרכז ההתקדמות הזו הוא שילוב חלק של אלקטרוניקה דיגיטלית עם מערכות קוונטיות, המאפשר שליטה מדויקת, מדידה ותיקון שגיאות הדורשות qubits - יחידות בסיסיות של מידע קוונטי.

המונחים: Quantum Computing Interfaces

כיום מחשבים קוונטיים מסתמכים רבות על אלקטרוניקה דיגיטלית כדי לנהל מדינות של qubit, עם מערכות הכוללות אלקטרוניקה, אמצעי מדידה ומעבדים קלאסיים הפועלים ב- tandem עם מרכיבים קוונטיים. ממשקים אלה משמשים גשר בין העולם הקלאסי של לוגיקה בינארית לבין התחום הקוונטי של סופרפוזיציה וסבך.

מקור: Digital Electronics in Qubit control

אלקטרוניקה דיגיטלית אחראים לייצור ומודולציה של הדופקים השולטים כי מניפולציות על מדינות qubit. עבור qubits , זה כרוך הדופקי מיקרוגל בתדרים ג'יגההרצץ, בעוד מערכות מלכודת לכודות דורשות דופק לייזר או אותות RF.מערכות בקרה אלה לעתים קרובות להשתמש במערך השערים סביר שדה (FPGAs) ו מעגלים משולבים ספציפיים יישומים (ASIC) כדי לספק את המהירות והדיוק הקטן ביותר להפחתה של תזמון.

פלטפורמות קוונטיות מסחריות, כגון אלה מ- IBM ו-Google, להשתמש באלקטרוניקה של החדר המחוברת למקררים דילוליים מבוכים באמצעות כבלים קואקסיאליים ופילטרים.ההגדרה הזו מציגה מהירויות של לוטות ואיתותות, אך היא אפשרה את פעולתם של מעבדים על-ידי תזמון על-ידי יותר מ- 100 סיביות.

שיטות קריאה ועדכונים

אלקטרוניקה מדידה קורא את מצב של qubits לאחר חישוב.עבור qubits superconducting, זה כרוך לשלוח הדופק קריאה באמצעות resonator ומדידה את האות המועבר, אשר הוא מוגדל ומוזנח לתדירות ביניים. מעבדי אותות דיגיטליים לאחר מכן לנתח את רכיבי quadrature כדי לקבוע את מצב ה-qubit עם נאמנות גבוהה.

מערכות טראפידיות בדרך כלל להשתמש בזיהוי פלואורסנס, שבו מצלמה או צינורות פוטומפיאולימפיה אוספים פוטונים מיון מואר.האלקטרוניקה הדיגיטלית מפעילה את הדופקים לייזר ומשתלבת את ספירת הפוטוניים לאורך זמן, מה שממיר אותות אנלוגיים לספירות דיגיטליות עבור אפליה המדינה. Both מתקרב לדרוש מגברות בעלות ערך נמוך, דיגיטות מהירות גבוהה ואלגוריתמים יעילים כדי לטפל בנתונים באמצעות, אשר יכולים לעלות על פני עשרות ג'יגה של גלקסיות גדולות לכדי גלקסיות.

אתגרים בממשקים הנוכחיים

למרות ההתקדמות הזו, ממשקים נוכחיים מושפעים מרעש, מוגבלות מוגבלת, ובעיות אינטגרציה.רעש הארומאל מאלקטרוניקה של החדר-זמנית יכול להתחבר למעבד הקוונטי באמצעות קווי בקרה וקריאה, מה שגורם לדהירות. הגודל הפיזי של צריפים שליטה ומספר הכבלים הדרושים לכל qubit להגביל את ההיקף של המערכת.

אתגר נוסף הוא חוסר ממשקים סטנדרטיים.מודולציות שונות - מוליכים, יון לכוד, סיליקון ספין ופוטניקה - דורש תוכניות שליטה שונות, מה שהופך את זה קשה לפתח פלטפורמה דיגיטלית אוניברסלית.זה הטרוגניות מגבירה את עלויות הפיתוח מאטה את אימוץ של טכנולוגיה קוונטית על פני תעשיות.

מגמות מתפתחות באלקטרוניקה דיגיטלית עבור מערכות קוונטיות

כמה מגמות מבטיחות מעצבות את העתיד של אלקטרוניקה דיגיטלית במחשוב קוונטי, במטרה להתגבר על המגבלות הנוכחיות ולאפשר מעבדים קוונטיים מדרגיים, ביצועים גבוהים.מגמות אלה ממינוף התקדמות במדעי החומרים, עיצוב מעגלים משולב, עיבוד אותות כדי ליצור ממשקים יעילים וחזקים יותר.

Cryogenic Electronics

פיתוח אלקטרוניקה שפועלת בטמפרטורות נמוכות מאוד - כלפי מטה עד 10 מיליליטרווין או נמוך יותר - הוא מוקד מרכזי להפחית את הכדאיות ולשפר את בקרת ה-qubit. אלקטרוניקה Cryogenic, כגון בקרי Cryo-CMOS ולוגיקה דיגיטלית מוליכים על ידי לוגיקה דיגיטלית, ניתן להציב בתוך המקרר דילולציה, קרוב למעבד הקוונטי, תוך צמצום אורך השליטה והקריאה.

חומרים ושיקולי עיצוב

עיצוב אלקטרוניקה לפעולה Cryogenic מציג אתגרים ייחודיים. CMOS Transistors להציג שינויים במתח סף, טרנסנדנדנדנס, ומאפיינים רעש בטמפרטורות נמוכות. חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים את התהליכים המיוחדים, כגון סיליקון מרוקן לחלוטין על-ידי סיליקון (FD-SOI) טכנולוגיה, אשר מדגימה ביצועים יציבים למטה כדי לרת טמפרטורות דיגיטליות, כגון שטף יחיד (FQ) ומהירויות של קידוד גבוה יותר (R) על פני טמפרטורה נמוכה יותר של לוגיקה גבוהה של שעון לוגיית (RK) ומהירות גבוהה של לוגיקה (RKerclow-Lhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh) ו-L) במהירויות) ומהירויות) ומהירות (R) במהירויות) במהירויות ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ טמפרטורות

לדוגמה, צוות באוניברסיטת Twente הראה בקר Cryo-CMOS עבור qubit 3D transmon, השגת נאמנות שער מעל 99.9% תוך הפעלת 3K. בדומה, חברות כמו Seeqc ו- IBM מפתחים בקרים על-מוליכים-על המשלבים ישירות עם שבבים של qubit. ההתקדמות הזו עשויה להפחית באופן משמעותי את העומס התרמי על ה- Cryostat, כמו הכוח הנצרך על ידי חדר-זמני מוחלף הוא מכווץ.

מעגלי בקרה משולבים

אלקטרוניקה שליטה ישירות על שבבי קוונטים מייצג קפיצה קדימה באינטגרציה. גישות מונוליטיות משלבות qubits עם מעגלים הנהג, מרוביםxers, וקורא מגבר על אותו תת-קרקעי, ביטול הצורך של חיפוש חיצוני.זה משפר את הסקאלה על ידי הפחתת מספר החיבורים והקפיטלנטיות parasitic, אשר יכול לגרום לקרוס-קולקלקולקל ו decoence.

qubits קוונטית הסיליקון, אשר תואמים תהליכים של ייצור CMOS, הם מבטיחים במיוחד עבור שילוב זה. חוקרים באוניברסיטת Delft טכנולוגיה הוכיחו מערך משולב לחלוטין 2×2 qubit עם שליטה על שבב וקריאה, באמצעות סטנדרטי 28nm CMOS טכנולוגיה. גישה זו מממנת תשתיות ייצור למחצה, פוטנציאל הורדת עלויות ייצור ו-Accelerating, באמצעות טלוויזיות על ידי אלקטרוניקה, כאשר הם מאפשרים קידוד 3Dbits-cookbit (D).

עיבוד אותות ותיקון שגיאות

מעבדים דיגיטליים ממוטבים לשפר את נאמנותו של qubit Readout ותיקון שגיאות. אלגוריתמי למידת מכונה עכשיו לפענח תסמונת תיקון שגיאות קוונטיות במהירויות של מעל 1 מיליון מחזורים לשנייה על FPGAs, המאפשר משוב בזמן אמת. לדוגמה, צוות AI קוונטי של גוגל משתמש קוד זדוני רשת עצבי כדי להשיג קודים על פני השטח מעל 99.7% בסימולציה, וטכניקות דומות מיושמות בחומרה.

Frequency-multiplexed Readout הוא אזור אחר שבו עיבוד אותות דיגיטליים עולה.על ידי שימוש בקו קורא יחיד כדי לחקור מספר רב של resonators בתדרים שונים, מספר הכבלים ואלקטרוניקה של טמפרטורות החדר ניתן להפחית.Digital downconverters ופילטרים להתאים את המדינה עבור כל qubit, המאפשר קריאה בו זמנית של עשרות של qubits.

בינה מלאכותית ושילוב Machine Learning

אינטליגנציה מלאכותית משמשת יותר ויותר לייעל מערכות בקרה. סוכני למידה של Reinforcement יכולים לכוון באופן אוטומטי הדופקים שליטה כדי להפחית את הסחף ואת הגוון, שיפור נאמנות השער ללא קללה ידנית. חוקרים ב-MIT השתמשו אופטימיזציה Bayesian כדי לזרז אלגוריתם ניהול סופר מוליך qubit בתוך 10 דקות, בהשוואה לשעות של מאמץ ידני.

למידת מכונה גם משפרת את השגיאה על ידי התאמת תנאי רעש בזמן אמת. צוות מ-EPFL פיתח מקוד מחשוב מאגר כי להסתגל באופן דינמי לשינויים בזמנים של qubit, שמירה על שיעור שגיאה לוגי מתחת לסף עבור חישובים סובלניים.גישות הסתגלות כאלה חיוניות עבור מחשבים קוונטיים מעשיים, שבו פרופילי רעש מתפתחים לאורך זמן עקב גורמים חיצוניים כגון תנודות מגנטיות או קרני קוסמיות.

אתגרים והזדמנויות

ככל שטכנולוגיות קוונטיות מתקדמות, יש לטפל במספר אתגרים כדי לממש מחשוב קוונטיים לא-סובלניים בקנה מידה. במקביל, הזדמנויות בשפע בחומרים חדשים, אדריכלות וחידושים ברמת המערכת אשר יעצבו את העשור הבא של ממשקים קוונטיים-קלאסיים.

סקלאלה וקשרות

מערכות בקרה סקלינג עבור מערךי qubit גדולים יותר - ממאות עד מיליוני qubits - נשאר אתגר עצום. גישות נוכחיות, אפילו עם אלקטרוניקה מבועתת, גבולות צפיפות ופיזור חשמל. לדוגמה, מעבד של מיליון סיביות ידרוש אלפי קווי בקרה, אפילו עם מספרx, ואת סך תקציב הכוח עבור אלקטרוניקה אלקטרוניקה וואט חייב להישאר בתוך קיבולת קירור של עשרות מילימטרים (שלבים).

הזדמנויות לשקר בטכנולוגיות חיבור חדשניות, כגון קישורים פוטוניים המחליפו כבלים חשמליים עם סיבים אופטיים. photonic control משתמש הדופק לייזר כדי לתמרן qubits, חיסול רעש חשמלי ומאפשר רוחב פס גבוה יותר על פני מרחקים ארוכים יותר. חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה, הפגינו תוכנית בקרה פוטונית עבור qubits מוליכים על ידי גלאי גלאיים מכוונת, בדומה לקידוד דיגיטלי עם אותות לוגיים עם אותות לוגיים בתדר נמוך.

ארכיטקטורות מתקדמות, כגון מחשבי קוונטי מודולרי, להפיץ qubits על פני מודולים מקושרים, כל אחד עם שליטה ותיקון שגיאות משלו. אלקטרוניקה דיגיטלית אז לנהל סבך חוצה-מודול באמצעות ממשקי פוטוניקה או קישורים מיקרוגל, כפי המוצע על ידי ברית האינטרנט הקוונטית. גישה זו מפחיתה את המורכבות של מעבד גדול אחד ומאפשרת עבור עיגול מצטבר, akin to מבוזר.

ניהול חשמל ו-Thermal Management

צמצום צריכת החשמל ודור החום בסביבות Cryogenic הוא קריטי.כל מילימטר של כוח dissipated בשלב מילימטריקלווין יש להסיר על ידי מקררים יקרים ומפוצצים, הגבלת מספר אלקטרוניקה שליטה שניתן לשלב. Superconducting לוגיקה דיגיטלית, כגון מחשוב נית או מעגלים דו-לשוניים, מציעה הפחתה תיאורטית של כוח על ידי סדרי גודל בהשוואה CM לדוגמה, קריפטפטפטפטפטציה של פעולות של השבבים יחיד, ללא מגבלות על גבי שבבים, ללא מגבלות של .

מומרים אנלוגיים-ל-דיגיטליים (ADCs) נדרשים גם לקריאה.היישומים הנוכחיים משתמשים לעתים קרובות בפלאש ADCs אנרגיה-hungry, אך ההתקדמות במעקב הסינוסאידים וההמרות התדירות-ל-לדיגיטלית עשויה להפחית את הכוח ב 10-100 פעמים. חוקרים ב- NIST פיתחו ADC מבוסס-Joseson שפועלת ב- 4K עם רזולוציית 12K ועוצמה של מיקרו-אט בלבד, רק ל-00-אין מבטיח עבור מערך נמוך.

חומרים חדשים ואדריכלות

פיתוח חומרים חדשים וארכיטקטורה יאפשר שילוב טוב יותר בין אלקטרוניקה דיגיטלית לבין מצבים קוונטיים.לדוגמה, חומרים דו-ממדיים כמו גרפן או מעבר dichalcogenides מתכת עשוי לאפשר מעגלים שליטה חדשים המשלבים ממדים בקנה מידה אטומי עם כוח נמוך. , אינטגרטיביים טופולוגי יכול ליצור את הבסיס עבור qubits מוליכים על-על כי הם מוגן מטבעם מרעש, צמצום הדרישות על-אלקטרוניקה.

חידושים אדריכליים, כגון מעבדי הקוונטים הניתנים להגדרה, מאפשרים לאלקטרוניקה לשלוט באותו אלקטרוניקה להסתגל למודולים שונים של qubit או אלגוריתמים.FPGAs עם ערכות הוראה קוונטיות ייעודיות, כגון QIS (הגדרה של מערכת הוראה קוונטית), יכולים מיקרוקוד פעולות עבור סוגים ספציפיים של qubit, מתן גמישות ללא ביצוע הקרבה.

הזדמנויות אחרות כוללות מכשירים memristive לאחסון המדינה הקוונטי ומחשוב בתוך-זיכרון עבור עיוות שגיאות. מחסומים קרוסבאר של דוטים קוונטיים מבוססי התנהגות יכולים לאחסן תבניות קוד שגיאות קוונטיות, המאפשרות חומרה-מחדשת חומרה שפועלת מהר יותר מתוכנה. A אב-טיפוס מאוניברסיטת פלורידה הראה 64× memsterbar כי חוצה קודים זעירים ב 10 שניות למהירויות דומות.

פיתוח תוכנה ו-Algorithm Developments

אלקטרוניקה דיגיטלית הם רק חלק מהמשוואה; ספריות תוכנה ואלגוריתמים חייבים להתפתח כדי להתאים. מסגרות תכנות קוונטיות ברמה גבוהה, כגון צ'יסקיט, צ'יק ו- Q#, משלבות מופשטות שממפה ישירות לשליטה דיגיטלית. אלה מזרים לוחות זמנים הדופק אופטימיזציה, להפחית את עומק, וקווי נתיב למזער את הדיבור, תוך חשבונאית למגבלות של אלקטרוניקה הבסיסית.

מושגים מחשוב צוק הם גם מתעוררים, שבו מעבדים קלאסיים בענן מבצעים שליטה בזמן אמת ותיקון שגיאות עבור חומרה קוונטית מרחוק. אלקטרוניקה דיגיטלית באתר הקוונטים פועלים כרכזות חכמות, עיבוד נתונים וצמצום הגמישות עבור יישומים כמו הפצה מפתח קוונטית או מחשוב קוונטי עיוור.

השלכות חינוכיות ודרכי קריירה

ההתכנסות של אלקטרוניקה דיגיטלית ומחשוב קוונטית יוצרת הזדמנויות חינוכיות חדשות.סטודנטים בהנדסה חשמלית, פיזיקה ומדעי המחשב חייבים לפתח מיומנויות חוצה תחומיות.קליקו צריך לכלול קורסים על עיצוב מעגלים מבוהלים, תיקון שגיאות קוונטיות, עיבוד אותות דיגיטלי עבור יישומים קוונטיים.

מסלולי קריירה מתרחבים מעבר לתפקידים הפיזיקה הקוונטיים המסורתיים.חברות מעסיקות מהנדסים חומרה המתמחה ב- Cryo-CMOS, ASIC מעצבים עבור שליטה קוונטית, ומהנדסי תוכנה עבור זמן אמיתי קוונטי-קלאסיקה תזמורתית.הביקוש לאנשי מקצוע שוטים הן במידע הקוונטי והן אלקטרוניקה דיגיטלית יגדלו כמו מהלכים בתעשייה מ-Q (ללא מדד ביניים בינוני) מחשוב לקוי.

משאבים כמו FLT:0 (Qiskitbook) ספר לימוד 1 ו- ETHLT:2 ביקורות טבע על בקרת הקוונטים FLT 3: לספק ידע בסיסי.קורסים מקוונים מאוניברסיטאות כמו MIT ו- ETH ציריך עכשיו לכסות חומרה קוונטית בין מקיפים, ופרויקטים קוד פתוח, כגון מערכת בקרת קוד פתוח: FLT:5, ניסיון מעשי.

מסקנה

העתיד של אלקטרוניקה דיגיטלית ממשקי מחשוב קוונטיים הוא תוסס ומלא פוטנציאל.התקדמות באלקטרוניקה מפולגת, טכניקות אינטגרציה ועיבוד אותות יהיה תפקיד מרכזי במגבלות הנוכחיות, המאפשר מערכות עם אלפי נקודות מעבר. כמו מחנכים וסטודנטים, הבנה של התפתחויות אלה הוא מפתח להשתתף בעידן הבא של חדשנות טכנולוגית.