ชิปควอนตัมนวัตกรรมใหม่ที่เอาชนะอุปสรรคสำคัญในสนาม

นักฟิสิกส์ควอนตัมจากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนได้ทำการค้นพบครั้งสำคัญในด้านเทคโนโลยีควอนตัม โดยการเอาชนะอุปสรรคสำคัญที่เป็นอุปสรรคต่อการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ ทีมนักวิจัยได้ดำเนินการควบคุมหลาย qubits พร้อมกันบนชิปควอนตัมเดียวกัน ซึ่งจะช่วยให้สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ได้ในอนาคต

หนึ่งในอุปสรรคสำคัญในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่คือการควบคุม qubits หลายตัวพร้อมกัน เมื่อควบคุม qubit หนึ่งๆ มักจะมีผลกระทบต่อ qubit อื่นๆ ที่ควบคุมพร้อมกัน

ทีมนักวิจัยที่เอาชนะอุปสรรคนี้ประกอบด้วยนักฟิสิกส์ควอนตัมสองคนจากสถาบัน Niels Bohr ของมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน คือ Frederico Fedele และ Anasua Chatterjee ทั้งสองคนทำงานในกลุ่มของ Associate Professor Ferdinand Kuemmeth

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review X Quantum.

แนวทางใหม่ด้วย Spin Qubits

ในขณะที่บริษัทอย่าง Google (GOOGL ) และ IBM มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยี superconductor สำหรับโปรเซสเซอร์ควอนตัม กลุ่มวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่ qubits ที่ทำจากซิลิกอน หรือที่เรียกว่า spin qubits

“โดยทั่วไปแล้ว spin qubits ประกอบด้วยสปินของอิเล็กตรอนที่ถูกกักเก็บในโครงสร้างนาโนซิลิกอนที่เรียกว่า quantum dots ซึ่งสามารถควบคุมและเชื่อมต่อระหว่างสปินต่างๆ ได้” Fedele กล่าว

spin qubits สามารถรักษาสถานะควอนตัมได้นาน ซึ่งอาจทำให้สามารถคำนวณได้เร็วและแม่นยำกว่าแพลตฟอร์มอื่นๆ เนื่องจากขนาดที่เล็กมาก จึงสามารถใส่ qubits ได้มากขึ้นบนชิปเดียว ซึ่งสำคัญเนื่องจาก qubits มากขึ้นหมายถึงพลังประมวลผลที่มากขึ้น

ทีมวิจัยสามารถสร้างและดำเนินการ qubits สี่ตัวในแถว 2×2 บนชิปเดียวได้

การเชื่อมต่อ qubits

ตาม Anasua Chatterjee หนึ่งในเป้าหมายที่สำคัญที่สุดคือการเชื่อมต่อ qubits เพื่อให้สามารถสื่อสารกัน

“ตอนนี้เรามี qubits ที่ดีแล้ว ชื่อเกมคือการเชื่อมต่อพวกมันในวงจรที่สามารถดำเนินการ qubits หลายตัวได้ ในขณะเดียวกันก็สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดในการคำนวณควอนตัมได้” Chatterjee กล่าว “จนถึงตอนนี้ การวิจัยใน spin qubits ได้มาถึงจุดที่วงจรประกอบด้วยแถว 2×2 หรือ 3×3 qubits แต่ปัญหาก็คือ qubits เหล่านั้นถูกจัดการแต่ละตัวเท่านั้น”

วงจรควอนตัมที่พัฒนโดยทีมนักวิจัยทำจากสารกึ่งตัวนำ gallium arsenide และมีขนาดเล็กกว่าแบคทีเรีย

Chatterjee เป็นหนึ่งในผู้เขียนหลักของการวิจัยนี้

“สิ่งใหม่และสำคัญที่สุดเกี่ยวกับชิปของเราคือเราสามารถดำเนินการและวัด qubits ทั้งหมดได้พร้อมกัน ซึ่งไม่เคยถูกแสดงมาก่อนใน spin qubits หรือแม้แต่ใน qubits ประเภทอื่นๆ” Chatterjee กล่าว

ในการดำเนินการคำนวณควอนตัม จำเป็นต้องดำเนินการและวัดพร้อมกัน qubits มีความไวต่อเสียงรบกวนมาก และเมื่อวัดแต่ละตัว เสียงรบกวนเล็กๆ น้อยๆ ก็สามารถเปลี่ยนแปลงข้อมูลควอนตัมในระบบได้

“เพื่อให้ได้คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังมากขึ้น เราต้องไม่เพียงแต่เพิ่มจำนวน qubits แต่ยังเพิ่มจำนวนการดำเนินการพร้อมกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่เราทำ” Professor Kuemmeth กล่าว

อีกอุปสรรคสำคัญหนึ่งคือชิปมี 48 อิเล็กโทรดที่ต้องตั้งค่าด้วยมือ และต้องรักษาค่าเหล่านั้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นงานที่ใช้เวลานานสำหรับมนุษย์ ดังนั้นทีมจึงกำลังมองหาวิธีการใช้อัลกอริทึมและ机器เรียนรู้เพื่อทำให้กระบวนการนี้เป็นอัตโนมัติ