Kuantum Ağafik ADCs'in Eleştirel Rolü

Kuantum Hesaplama, bir hesaplama devriminin ön planda duruyor, kriptografi'ndeki umut verici atılımlar, bilim ve karmaşık sistem simülasyonu. Her kuantum işlemcisinin kalbinde, kontrol ve okuduğum klasik elektronikler arasındaki hassas bir arayüz yatıyor. çünkü kuantum işlemciler, istatistiksel olarak sayısal bir bileşene sahip değil, sadece bir analog gürültü ve güç dağılımına bağlı olarak başarısız oluyor.

Neden Krigen ADCs Kuantum Bilgisayarlar için Temeldir

Kuantum bitleri veya qubits, kuantum mekanik fenomenlere süperpozisyon ve entanglement gibi güvenmek. - bu sıcaklıkların yaklaşık 10-100 milikelvin'i korumak için kuantum durumunu yeterince korumak için yeterli olacaktır (Düzerleri - tüm sistem ısıtılır).

Ancak, bir qubit devletini okumak son derece zayıf sinyalleri ölçmek gerektirir, genellikle birkaç foton veya tek bir elektron şarjı seviyesinde.Bir geleneksel ADC, hatta oda sıcaklığı için tasarlanmış yüksek performanslı bir kişi, kuantum işlemciye yakın yerleştirilen aşırı ısı ve gürültüyü üretir. Oda-sıcaklı kabloları odadan hızlı bir şekilde azaltın ve sinyale izin verme.Bu hataya ek olarak, kuantum düzeltmesi için kritik bir şekilde düzeltme sağlar.

Ağojenik ADCs için Anahtar Performans Ölçümleri

Ağojenik operasyon için bir ADC tasarlamak, birkaç kritik parametre arasında ticaret yapmak içerir:

  • [FONT:0)Power Dağıtım:[Dönetici: [Dönetici: 0,3] Her bir ısının, ısının içindeki ısının her miliwattın soğutma sistemi tarafından kaldırılması gerekir. ADCs mümkün olduğunca az enerji tüketmelidir - birkaç miliwattdan daha az - soğutma kapasitesinden kaçınmak için.
  • [FONT:0] Performansı: [DFLT:1] Per Per Perkelvin sıcaklıklar, baskın gürültü kaynakları flicker (1/f) gürültü ve ölçüm gürültüyü elde etmek için ADCs, sinyal-to-noise oranlarına ulaşmak için 60 dB'yi aşıyorken mikro volt aralığında giriş sinyalleri ele geçirmelidir.
  • [FONT=0]Sampling oranı ve bant genişliği:[Dönetici:0) Paralel ve geri bildirimde birçok qubit'in tekrarlanması, on megahertz'dan birkaç gigahertz'a örnek olarak örnekleme oranları gerektirir.
  • [FONT:0)Integration yoğunluk:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici kuantum işlemciler binlerce veya milyonlarca qubit içerecektir. Her bir qubit kendi ADC kanalını gerektirir.In-çip veya ko-packaged entegrasyon, kablo şişenck önlemek için gereklidir.

Ağojenik ADC Teknolojilerindeki Son Yenilikler

Son birkaç yılda, birkaç umut verici ADC mimarisi, alt 1. K sıcaklıklarda güvenilir bir şekilde faaliyet gösteren ortaya çıktı. Bu yenilikler süper iletken elektronik, gelişmiş yarı iletken süreçler ve iki karma kombinasyonundan faydalandı.

Josephson Junctions'a dayanan ADC'leri Süperletme

Süper iletken devreler en düşük olası gürültü ve güç dağılımı sunar çünkü sıfır elektrik direnci ile çalışır ve kuantum-mekanik etkileri ölçümleme için kullanabilir. Bugün en olgun süper iletken ADC teknolojisidir.

Bir RSFQ ADC, tek bir şapel ölçüm treni (fluxons) sabit bir süre pencereden elde edilir ve giriş sinyalini belirtir.Her fluxon, manyetik florenin bir ölçüm ünitesini temsil eder (~2.07 × 10) - 15).

Son zamanlarda yapılan çalışmalar:0)NIST (Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü)), Josephson-based ADCs'i 1 GHz örnekleme oranlarında 12 bit aşmış, 4 K. Yenier'de çalışırken, önyargıyı azaltmak ve milikelvin aralığına kadar operasyona daha da uzatmıştır.

Superconducting ADCs

Olağanüstü performanslarına rağmen, süper iletken ADC'ler henüz standart CMOS'un bulunanlarla uyumlu olmayan üretim süreçleri gerektirir. niobium tabanlı Josephson klübüsleri ve özel ayrıştırma teknikleri maliyet ve sınırları ölçeklenebilir. Ek olarak, bu süper iletkenlik ADC'leri klasik kontrol elektronikleriyle entegre etmek (örneğin, FPGA bazlı pul jeneratörler) hala kriyojenik bağlantıları veya karma paketler gerektirir.

Ağojenik CMOS ADCs: Gelişmiş Yarı iletken Teknolojiyi Çıkarmak

Alternatif bir yaklaşım, taşıyıcı donmuş kanallarını kullanarak, yüksek oranda dozlanmış kanalları kullanarak, uzman cihaz mimarisi (örneğin tamamen silinmiş silikon-on-insulator, FDSOI) ve dikkatli önyargılı araştırmacılar, 4 K ve daha düşük frekanslı gürültüyü inşa ettiler.

Elbette, 28 nm FD-SOI sürecinde uygulanan sürekli bir delta-sigma modülatörü, ADC'nin 14-bit ENOB'i 100 MHz bant genişliğine ulaştı, ancak 8 mW'yi dağıtıyor - birçok krigen CMOS'un önemli avantajı mevcut dijital sentez ve tasarım akışlarıyla uyumluluğunun sağlanmasıdır, ADC'lerin, dijital işleme ve hafızayı içeren karmaşık bir entegrasyona izin verir.

Son gelişmeler:0)Imec (Kapalar Mikroelektronik Merkezi)) ve diğer araştırma kompulsiyonları kapı oksitinde tamamen operasyonel ADCs gösterdi - bu optimize edilmiş CMOS, süperconducting qubits için gerekli olan milikelvin rejime iyi bir şekilde işlev verebilir.

Hybrid Superconductor-CMOS ADCs

İlginç bir üçüncü yaklaşım her iki dünyanın en iyisini birleştirir: bir süper iletkenlik ön uçları ve dijital sinyal işleme için bir CMOS geri uç. Örneğin, Josephson parametrik yükselteç, bir CMOS kontrol cihazı tarafından ele alınabilmesi için ön plana çıkabilir.

Araştırmacılar, transmon qubit geri dönüş kanalının çıktısını sayısal olarak gösteren bir hibrit sisteme sahipler.The entire cold Chain - from the qubit to a transmon qubit readout resonator, and the result digital stream is processed by a room- temperature FPGA. The entire cold chain - from the qubit to 20 mK with a total power deployment of 1 mW per qubit kanal.

Ağergen ADCs'de Büyük Kuantum Süreçtörler için Zorluklar

Yukarıda açıklanan prototip cihazlar etkileyici olsa da, birkaç büyük engel, krigen ADC'lerin binlerce mantıksal qubit ile hataya dayalı kuantum bilgisayarlarında konuşlandırılabilir.

Heat Dissipation and Thermal Management

Ağostatın içindeki her elektronik bileşen, ısı pompasına önemli katkılar sağlar. Komptör odasındaki soğutma gücü (vardaki yerlerde) genellikle sadece birkaç yüz mikrowattdır. 10 mW'yi satın alan ADC bile, temel sıcaklığı dramatik bir şekilde yükseltecektir, tehlikeye atmalıdır. Future ADCs muhtemelen adiabatik mantık veya süper iletkenlikli arayüzleri kullanarak sub-milliwatt güç tüketimi hedeflemelidir.

Interconnect and Packaging

kuantum işlemcisi, krigen ADC ve oda-sıcak elektronikleri arasında bir ciddi şişenck sunar. 10.000 qubit ile bir kuantum çipi 20.000 veya daha fazla kobiyal kablolara ihtiyaç duyarsa, her bir qubit'in farklı analog hatlarına ihtiyacı vardır. Ağojenik ADCs bu numarayı birden çok parmak izi tüketebilir: tek bir ADC, ya da düşük gürültüyü tüketebilir.

Gelişmiş ambalaj teknikleri, süper iletkenlerle bağlantı kurmak gibi, - ⁇ vias (TSVs) ve flip-çip bağlantılarını çevirmek, ADCs'leri doğrudan kuantum işlemci substratına entegre etmek için geliştirilir. Bu, büyük ölçüde uzun süreler ve parasitics azaltır.

Uzun Süreli Yenidenlenebilirlik ve Malzeme İstikrarı

Ağojenik ADCs, genişletilmiş dönemlerde istikrarlı performans sürdürmeli - haftalar veya sürekli operasyon aylarca. Oda sıcaklığı ve 10 mK arasındaki ısı bisikleti mekanik strese neden olabilir, telli başarısızlıklara ve degrad Josephson kavimler veya oksit tabakalarına devam edin. Ayrıca, kriyojenik sıcaklıklarda, atomik difüzyon ve elektromigrasyon baskılar bastırılır, ancak CMOS cihazlarındaki sıcak karbon geçişinin ısıtılmasının zaman içinde performansını artırabilir.

Future: Full-Stack Ağgen Kontrolüne Doğru

Önümüzdeki gibi, ADC'lerin diğer kontrol ve okuma elektronikleriyle entegrasyonu - dijital-to-analog dönüştürücüler (DACs), rastgele dalgaform jeneratörleri ve düşük-jitter saatleri - tek bir ağojenik sistem-on-çipçik bilgisayarları ölçeklendirmek için gerekli olacaktır.

MillimeterWave ve Terahertz ADCs için

Bazı qubit modalleri, silikon bazlı spin qubits veya topolojik qubits gibi, on gigahertz veya hatta terahertz. ADCs bu tür yüksek frekanslı sinyalleri doğrudan inceleyecek ve gürültüyü basitleştirecektir.

Geri bildirim ve Gerçek Zaman Hatası Düzeltme

Ağergen ADCs için en talep edilen uygulamalardan biri gerçek zamanlı kuantum hatası düzeltmedir. Tek bir hata düzeltmesi için, ölçüm sonucu sayısallaştırılmış, işlenmiş ve birkaç yüz nanosaniye içinde - ADCs ve zaman zaman çizelgesi gibi yeni bir şekilde ele alınacaktır.

Makine Öğrenmeyi optimize etti ADC Designs

Makine öğrenimi ve AI odaklı tasarım araçları, ağojenik ADC'leri optimize etmek için uygulamaya başlıyor. Otomatik düzen nesli kullanarak ve geniş tasarım alanını keşfetmeyi öğrenmeyi güçlendirerek -özellikle de Josephson kavimleri için -araştırmacılar en iyi manuel tasarımdan, hızdan ve gürültüden hızla bir araya gelebilirler.

Kuantum Hesaplama Performansı için Örnekler

Yüksek performanslı ağojenik ADC'lerin gelişimi doğrudan kuantum bilgisayarlarının ölçeklenebilirliğini ve sadakatini etkiler. daha iyi ADCs etkinleştirir:

  • [FONT:0) Yüksek lisans sadakati okuyun: Gürültüyü azaltın ve daha yüksek çözünürlükte, qubit devletleri arasında daha az ölçüm ortalamaları ile ayrımcılığa izin verir, kapı başına hatayı azaltır.
  • [FONT:0)Faster feed forward:[Dönetici:[Dönetici:0) Low-latency ADC çıktıları, orta basamak ölçümleri ve adaptif kapılar gibi gerçek zamanlı koşullu işlemlerde kullanılabilir.
  • [FONT=0)Redüktör yükü:[Dönemli ağojenik ADCs): Birçok kablo ve sıcak bağlantı bileşenlerinin sayısını büyük ölçüde azalttı, kriostat tasarımını basitleştirin ve daha büyük qubit dizilerine izin verin.
  • [0]Yenilenen sistem güvenilirliği:[Döneticileri ve mekanik stresleri azalttığı gibi tüm klasik kontrol elektroniklerini aynı sıcaklıkta entegre etmek, daha uzun operasyonel yaşamlara yol açan.

kuantum bilişim endüstrisi yüzlerce ila binlerce arasında hareket eder ve sonunda milyonlarca qubits, kuantum ve klasik katmanlar arasındaki arayüz, performans şişenck. Ağgen ADCs o çok yakın zamanda devam eden ilerleme, pratik kuantum bilgisayarlar için en kritik olanaklardan biridir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Ağojenik ve düşük sıcaklık ADC'ler kuantum hesaplama arayüzlerinin manzaralarını yeniden şekillendiriyor, ancak dünya çapındaki aktif araştırmalar, tam olarak entegre edilmiş krigenist elektronik yığınlar – ADCs, DACs ve dijital kontrolde olağanüstü ilerlemeler görecek – bu, büyük ölçekli kuantum işlemcilerin tam potansiyelini ortaya çıkaracak.