アルミニウム

2023 年 3 月 10 日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Tech Explore

量子プロセッサは、量子力学的現象を利用して情報を処理し、計算を実行するコンピューティング システムです。 これらのシステムは、特定のタスクに関して、速度と計算能力の両方の点で従来のプロセッサを大幅に上回る可能性があります。

エンジニアは過去 10 年ほどにわたって有望な量子コンピューティング システムをいくつか開発してきましたが、これらのシステムを拡張し、大規模に展開できるようにすることは依然として継続的な課題です。 量子プロセッサのスケーラビリティを高めるために提案された戦略の 1 つは、複数の小さな量子モジュールを含むモジュール式システムの作成を必要とし、これらのモジュールを個別に調整して、より大きなアーキテクチャに配置することができます。 ただし、これには適切で効果的な相互接続 (つまり、これらの小さなモジュールを接続するためのデバイス) が必要になります。

中国の南方科学技術大学、国際量子アカデミー、その他の研究機関の研究者らは最近、モジュール式超伝導量子プロセッサの個々のモジュールをリンクするための低損失相互接続を開発した。 Nature Electronics で紹介されたこれらの相互接続は、純粋なアルミニウム ケーブルとオンチップのインピーダンス変圧器に基づいています。

「私たちの最近の論文は、2年前に『Nature』誌に掲載された私のシカゴ大学でのポスドク研究の中核となるアイデアに基づいています」と、この研究を実施した研究者の一人であるYoupeng Zhong氏はTech Xploreに語った。 「その研究では、ニオブチタン (NbTi) 超電導同軸ケーブルを使用して 2 つの量子プロセッサを接続しました。」

Zhong 氏は、これまでの研究の 1 つで、NbTi 超電導ケーブルを使用して 2 つの異なる量子プロセッサを接続しようとしました。NbTi 超電導ケーブルは、極低温/量子システムの設計に一般的に使用されています。 接続損失（つまり、エネルギーがケーブルを介してあるプロセッサから別のプロセッサに移動するときに本質的に発生するエネルギーの損失）を削減するために、彼は量子チップを接続するNbTiケーブルに直接ワイヤボンディングすることを試みました。

「これは非常に難しいことがわかったので、量子回路と同じ材料であるアルミニウムなど、さまざまな超伝導金属で作られた新しいケーブルを試すというアイデアを思いつきました」とZhong氏は説明した。 「純アルミニウムで作られた同軸ケーブルは店頭で簡単に入手できません。アルミニウムは銅よりも損失が大きく、はんだ付けが難しいため、通常のケーブル用途には適していません。さらに、その超電導転移温度は液体ヘリウムの温度よりも低いのです。量子相互接続アプリケーションでは、純粋なアルミニウム同軸ケーブルが必要となるシナリオはほとんどありません。」

新しい低損失相互接続を作成するために、Zhong 氏は純アルミニウム同軸ケーブルを特注し、オンチップ インピーダンス トランスと統合しました。 得られた相互接続は、日常的に使用されている NbTi ケーブルに基づく相互接続よりも損失が大幅に少なく (つまり、1 桁低く)、量子チップへのワイヤボンディングも容易でした。

「純アルミニウムケーブルは量子相互接続に最適な選択肢であることが判明しました」と Zhong 氏は述べています。 「私たちの相互接続には、カスタム開発されたアルミニウム同軸ケーブル、ケーブルと量子チップ間のワイヤボンド接続、およびインピーダンス変換器として機能する量子チップ上の 4 分の 1 波長伝送線路が含まれています。チームの相互接続のインピーダンス変換器は、量子状態の転送に使用される定在波モードの現在のノードへのワイヤボンド接続ポイントにより、異なる量子プロセッサ間の接続ポイントでの抵抗損失が大幅に最小限に抑えられます。

「私たちの調査結果は、既成概念にとらわれずに考えれば、どれだけの潜在的な改善が達成できるかを思い出させてくれます」と Zhong 氏は言います。 「例えば、今日誰もが知っているように、チャールズ・カオの業績は光ファイバーの基礎を築きました。光ファイバーは、0.2 dB/km という記録的な損失で、現代の世界的な通信ネットワークのバックボーンとなり、短距離および長距離の通信に不可欠なものとなりました。この高度に技術的でほとんど無視されてきた材料科学研究の変革的影響により、2009 年のノーベル物理学賞の半分が授与されました。別の例としては、イーロン・マスクの宇宙船火星ロケットにステンレス鋼が使用されたことが挙げられます。」

この研究者チームによる最近の研究は、モジュラー量子システムの処理モジュールをリンクする効果的な相互接続を開発するためのアルミニウム ケーブルの大きな可能性を浮き彫りにしています。 Zong 氏らによって作成された低損失の相互接続は、間もなく他のモジュラー システムに統合される可能性があり、よりスケーラブルな量子プロセッサの開発における継続的な取り組みに貢献します。

「私の今後の研究計画の1つは、異なる量子プロセッサにわたる量子もつれゲートを調査することです」とZhong氏は付け加えた。 「もう1つは、複数のモジュールを接続することで量子プロセッサのサイズを拡大しようとしている。」

詳しくは： Song Liu、モジュール式超伝導量子プロセッサのための低損失相互接続、Nature Electronics (2023)。 DOI: 10.1038/s41928-023-00925-z。 www.nature.com/articles/s41928-023-00925-z

Youpeng Zhong 他、量子ネットワークにおける決定論的なマルチ量子ビットのもつれ、Nature (2021)。 DOI: 10.1038/s41586-021-03288-7

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