A kvantumszámítógépek fejlesztése az egyik legizgalmasabb tudományos kihívás napjainkban. A kvantummechanika egyedi tulajdonságait kihasználva a kutatók olyan rendszereket kívánnak létrehozni, amelyek példátlan sebességgel képesek elvégezni összetett számításokat. Ezek a gépek forradalmasíthatják a tudományos kutatást és az olyan adatintenzív iparágakat, mint a pénzügy, a kiberbiztonság vagy az orvostudomány, amelyek egyre nagyobb számítási kapacitást igényelnek.
A kvantumrendszerek működésének alapfeltétele egy olyan környezet, amely stabilizálja a kvantumbitek (qubitek) rendkívül törékeny állapotát, és csillapítja a szupravezető elektronikában fellépő hőzajt. Ehhez olyan kriogén hőmérsékletre van szükség, amely 5 és 10 millikelvin között mozog – ez még a világűrben tapasztalható extrém hidegnél is alacsonyabb. Ezt a különleges állapotot hígításos hűtők segítségével érik el.
A kvantumkutatáshoz használt hígításos hűtőkben olyan kábelezési rendszerre van szükség, amely képes ellenállni a kriogén hőmérsékletnek, miközben energiahatékony egyenáramot biztosít és támogatja a nagy sebességű adatátvitelt. A MIT Lincoln Laboratory kutatói egy rugalmas, szalagszerű, alacsony frekvenciájú (LF) kábelt prototipizáltak, amely nemcsak ezeket a követelményeket teljesíti, hanem kompatibilis a kereskedelmi forgalomban lévő áramköri lapgyártási eljárásokkal. A Maybell Quantum, egy coloradói székhelyű kvantumhardver-beszállító, licencbe vette a kábel tervezését, és saját hígításos hűtőibe integrálja azt.
A találmány mögötti motiváció
A kormányzati kvantumszámítástechnikai kezdeményezések támogatása érdekében a Lincoln Laboratory kutatócsoportja a hagyományos koaxiális kábelek alternatíváit vizsgálta a hígításos hűtőkben. A koaxiális kábelek ugyanis jelentős hőterhelést generálnak, amit a kriogén berendezéseknek el kell vezetniük. Ráadásul a kvantumszámítógépek qubitjeinek számának növekedésével a kábelek száma is drámaian megnő, és a merev, terjedelmes kábelkötegeket egyre nehezebb beilleszteni a szupravezető qubiteket támogató hardverbe.
A csapat egy sávvezetékes (stripline) kábelkonfigurációt választott, ahol a vezető rétegek rugalmas polimer rétegek között helyezkednek el, amelyek árnyékolják az elektromágneses interferenciát. A sávvezetékek kiváló konzisztenciát biztosítanak a különböző frekvenciákon, és minimális a jelveszteségük. Az új kábeleket úgy tervezték, hogy egyszerre nagyszámú jelet továbbítsanak, támogassák az egyenáramú működést anélkül, hogy felmelegítenék a kriogén környezetet, és ami a legfontosabb: sokkal könnyebben integrálhatók a hardverbe, mint a törékeny koaxiális kábelek.
A legfőbb újítás, hogy ezek a kábelek hagyományos nyomtatott áramköri lapgyártó eljárásokkal is előállíthatók. Ennek köszönhetően olcsóbb a gyártásuk és egyszerűbb a telepítésük, mint a hagyományos koaxiális kábeleké. A Maybell Quantum szerint a szalagformátum mechanikailag rendkívül ellenálló, ami csökkenti a vékony koaxiális kábeleknél gyakori töréseket, és javítja a gyártás ismételhetőségét. A hajlékony kábeleknek köszönhetően az összeszerelési feladatok, amelyek korábban napokat vettek igénybe, most néhány óra alatt elvégezhetők.
Jövőbeli kilátások
A Maybell Quantum célja, hogy támogassa a kvantumszámítástechnika átmenetét a laboratóriumi kísérletezés szintjéről az ipari, kereskedelmi forgalomban is életképes technológiává. A jelenlegi, rendkívül specializált kvantumlaboratóriumi környezet és a jövő ipari kvantumszámítógépeihez szükséges robusztus infrastruktúra között hatalmas szakadék tátong, amelyet elsősorban a funkcionális chipek fejlesztését elősegítő hardverek áthidalásával lehet áthidalni.
A vállalat küldetése, hogy olyan megbízható eszközöket fejlesszen, amelyeket a kvantumszámítógépek kereskedelmi fejlesztői könnyedén használhatnak, anélkül, hogy a mai kvantumlaboratóriumok berendezéseihez kapcsolódó magas költségekkel és szakértői képzéssel kellene szembenézniük. A rugalmas kábelek és a Maybell folyamatos kutatás-fejlesztési tevékenysége olyan jövőbeli infrastruktúrát hozhat létre, amely lehetővé teszi az ipar számára a kvantumszámítógépek olyan mértékű skálázását, ahol ezek az erőteljes gépek költséghatékonyan használhatók számos vállalkozásban.
A szalagkábelek lehetővé teszik a valódi skálázhatóságot, hiszen ha több száz chipet akarunk kezelni, olyan összeköttetésekre van szükség, amelyek több jelet képesek megbízhatóan továbbítani. A Maybell Quantum vezetői szerint ez a technológia érdemben javítja a rendszereiket, és erősíti a szélesebb amerikai kvantum-ökoszisztémát azáltal, hogy a szövetségi finanszírozású innovációt az amerikai gyártásba integrálja.
© Photo: Nicole Fandel/Lincoln Laboratory
Forrás: MIT.edu
