Millenion

Istnieje wiele sposobów na zbudowanie komputera kwantowego. Jednym z popularniejszych jest wykorzystanie bardzo dobrze wyizolowanych jonów – pojedynczych atomów naładowanych dodatnio. W naturalnych warunkach atomy łączą się, tworząc cząsteczki lub materię. Pojedynczo występujący atom w przyrodzie jest ogromną rzadkością. A to właśnie na nim nam zależy. Dlaczego? Pojedynczy jon (czyli atom z ładunkiem elektrycznym) w komputerach kwantowych pełni funkcję kubitu, czyli podstawowej jednostki informacji kwantowej.  

Należy zauważyć, że jest to kubit idealny – wszystkie jony danego pierwiastka są identyczne, w przeciwieństwie do np. technologii kubitów nadprzewodzących, gdzie „stany kwantowe” są realizowane przez prądy i napięcia w tym obwodzie, a nie przez pojedyncze jony. Kubity bazujące na jonach znane są z wyjątkowo niskich błędów – tzw. wierność przekracza w najlepszych implementacjach 99,9999%. Dla porównania: kubity nadprzewodzące rzadko kiedy przekraczają wierność 99,9%. A to oznacza zupełnie inne możliwości w realizacji złożonych algorytmów. Wierność na poziomie sześciu dziewiątek pozwala przeprowadzić setki operacji, podczas gdy wierność trzech dziewiątek daje możliwość przeprowadzenia zaledwie kilku, zanim błędy urosną do nieakceptowalnych wartości. Dlatego też komputer kwantowy na 20 jonach może mieć znacznie większą moc obliczeniową (tzw. quantum volume) niż 100-kubitowy odpowiednik na obwodach nadprzewodzących. 

Aby zapewnić wysoką wierność, należy wykonać szereg zabiegów, aby atomy zostały wyizolowane, by znajdowały się dokładnie tam, gdzie chcemy, i nie poruszały się. Aby to osiągnąć, atomy trzeba spowolnić i „schłodzić” – zarówno elektrycznie, jak i optycznie. Następnie jon musi być precyzyjnie kontrolowany. Dzięki tym wszystkim zabiegom kubity będą działały stabilnie, znajdą się we właściwym miejscu i będą wykonywać obliczenia zgodnie z planem. 

Klasyczne komputery kwantowe w technologii pułapek jonowych zapewniają do ok. 20 użytecznych kubitów w łańcuchu pułapki. Większa liczba jonów pogarsza stopień splątania pierwszego z ostatnim, co zwiększa błędy obliczeniowe. Aby możliwe było skalowanie liczby kubitów, konieczne jest łączenie większej liczby miniaturowych pułapek jonowych w podsystemy, tak jak łączy się wiele rdzeni w klasycznych procesorach. Jednakże w komputerach kwantowych informacja przechowywana jest w stanie kwantowym kubita, tak więc nie możemy do jej przekazywania użyć klasycznych przewodów – należy fizycznie przemieścić kubit pomiędzy pułapkami, tak by jeden „rdzeń” otrzymał informację z drugiego. 

Kontrolowanie pozycji jonów w przestrzeni oraz ich przesuwania wykonuje nasz podsystem kontroli transportu (shuttling control subsystem). To elektroniczny system sterowania w czasie rzeczywistym, dostarczający napięcia stałe i sygnały sterujące (przebiegi) niezbędne do utrzymywania i transportu jonów. W skład tego podsystemu wchodzą: zaprojektowany od podstaw, „szyty na miarę”, układ scalony (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC), który generuje sygnały sterujące tuż przy procesorze kwantowym, źródła sygnałów sterujących, wzmacniacze wysokonapięciowe, filtry ograniczające szumy i inne krytyczne komponenty. 

W Creotech Quantum projektujemy elektronikę dopasowaną do potrzeb Klienta. W ramach projektu Millenion naszym zadaniem jest stworzenie systemu obsługującego bardzo dużą liczbę jonów, w końcu celem inicjatywy jest 1000-kubitowy komputer kwantowy! Wymaga to indywidualnego sterowania tysiącami kanałów elektronicznych, a także ogromnej precyzji – niska temperatura (4 Kelviny), ograniczona przestrzeń, bardzo szybkie zmiany pozycji jonów i wszelkie inne zakłócenia (np. szumy), które trzeba mocno ograniczyć, stanowią duże wyzwanie elektroniczne.