Imec’teki kuantum hesaplama programında mühendis olan Shana Massar şöyle diyor: “Kuantum bilgisayarların amacı, günlük görevlerimizi yerine getirmek için zaten bilinen klasik bilgisayarlarımızın yerini almak değildir. Çok özel problemler için, yüksek derecede karmaşıklığa sahip problemler için kuantum bilgisayarlara ihtiyacımız var.”
Kuantum hesaplama için bir kullanım durumu örneği, optimizasyon problemlerini çözmektir; diğeri ise moleküler sistemlerin simülasyonudur. Bu, malzeme bilimini daha iyi anlamak için yapılabilir ve yeni ilaçların keşfedilmesine yardımcı olmak için de yapılabilir.
Bir kuantum bilgisayarda bilgi, klasik bir bilgisayardan temelde farklı bir şekilde manipüle edilir. Klasik bir bilgisayarda mantık öğesi, iki durumdan birini alabilen bir bittir: sıfır veya bir. Bir kuantum bilgisayarda mantık öğesi, başlatılabilen, manipüle edilebilen ve okunabilen herhangi bir tutarlı iki seviyeli sistem olarak tanımlanan bir kübit veya kuantum bitidir.
Massar, “Bir bitin durumuna bakarsam, durum ya sıfır ya da birdir ve bu, deterministik ölçüme yol açarken, kübitin durumu süperpozisyona sahiptir” diyor.
“Aynı anda sıfır ve birin doğrusal bir birleşimidir. Ancak okumadan sonra, belirli bir olasılıkla birlikte sıfır veya birdir – ve bu olasılıksal ölçüme yol açar.
“Kuantum bilgisayarın başka bir özelliği daha var, dolaşıklık. Klasik bit durumları birbirinden bağımsızdır, bu da N bitin N durumu saklamasına yol açar. Ancak kübitler dolaşık olabilir. Birleştirilebilirler, bu da N qubit’in bir anlamda N durumlarının gücünün ikiye kadar ‘işleyebileceği’ anlamına gelir. Tüm bu durumlara aynı anda mantıksal bir işlem uyguladığımızda, muazzam bir paralelleştirme ve çok yüksek bir hesaplama gücü elde ediyoruz.”
Ancak, birisi güvenilir kübitleri tekrarlanabilir bir şekilde üretmenin bir yolunu bulana kadar, kuantum hesaplamanın bu vaatlerinden hiçbiri meyve vermeyecektir. Qubit’ler şu anda laboratuvarlarda özelleştirilmiş bir şekilde uygulanmaktadır, ancak Imec’teki araştırmacılar bunu değiştirmek istiyor. Endüstriyel ölçekte kübit üretmenin yollarını aramaya başladılar.
Qubit’ler için bir fab süreci geliştirme
Quantum’un bilimsel direktörü ve program direktörü Kristiaan De Greve, “Bir milyon kübitlik bir sistem veya sadece anlamlı bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için, kübit değişkenliğini azaltmanız ve üretim verimini artırmanız, aynı zamanda aslına uygunluğu ve tutarlılığı korumanız gerekir” diyor. Imec’te bilgisayar.
“Dünyadaki en iyi araştırma laboratuvarlarından bazılarının kullandığı yöntemler muhtemelen sonuna kadar gitmenize izin vermeyecektir. Farklı bir yaklaşımımız var ve düşük değişkenlik ve yüksek verimle çok karmaşık devreler ürettikleri yarı iletken endüstrisindeki mevcut araçları kullanıp kullanamayacağımızı görmeye çalışıyoruz.”
Kübitleri uygulamak için birkaç farklı yaklaşım vardır: kuantum optiği, hapsolmuş iyonlar, manyetik rezonans, süper iletkenler, elmasta nitrojen boşluğu ve kuantum noktaları. Imec’teki araştırmacılar iki teknolojiye odaklanıyor – süper iletken cihazlar ve yarı iletken kuantum noktaları.
Bu seçimlerin bir nedeni, Imec’in bu teknolojileri yüksek kaliteli kübitler yapmak için umut verici yollar olarak görmesidir. Ancak ikinci sebep – Imec’in en büyük sebebi – bu iki teknolojideki kübitlerin, Imec’in çok yüksek kalitede sahip olduğu tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) tesisleriyle birinci dereceden uyumlu bir şekilde üretilebilmesi.
Her iki yaklaşımla ilgili bir zorluk, çok düşük sıcaklıklarda çalışmalarıdır. Bu nedenle Imec, kriyo elektroniği, çok düşük sıcaklıklarda çalışabilen elektronikler konusunda da araştırma yapıyor.
Imec, programcıların bir programı çalıştırmak için kübitleri kurmasına ve ardından sonuçları okumasına olanak tanıyan gerekli elektronik arayüzlerle birlikte uygun ve kararlı kübitler ve kübit dizileri oluşturmayı amaçlar.
Doğru malzeme ve teknikleri keşfetmek
Optimum üretim tekniklerini keşfetmek için Imec, kübitleri üretmek için farklı malzemeleri, mimarileri ve üretim tekniklerini denedikleri ve ardından hangi tekniklerin en iyi sonucu verdiğini ölçmek için sonuçları test ettikleri bir araştırma süreci oluşturdu.
Araştırmasının ilk aşaması, farklı malzemeler ve gerekli boyutlar verildiğinde, uzmanlardan oluşan bir ekibin en iyi tasarımı bulmak için simülasyonlar yürüttüğü tasarım aşamasıdır. Tasarım aşaması tamamlandığında, ikinci aşamaya, kübitleri oluşturmanın en uygun yollarını bulmak için diğer simülasyonları çalıştırarak, en doğru işlem akışını ve en iyi ayarları ve tarifleri belirleyerek başlayan fabrikasyon aşamasına geçerler.
Imec daha sonra örneğini fabrikada işler ve hat içi karakterizasyonu kullanarak farklı işleme adımlarını yakından izler. Numunelerin üretimi başarılı olduğunda, son aşama olan kriyo karakterizasyonuna veya düşük sıcaklıkta karakterizasyonuna geçerler.
Sonunda, çok düşük sıcaklıkta ölçümler için bir buzdolabına koymak üzere bir numune tutucuya monte ettikleri kalıplar, alt kalıplar ve yongalarla dolu bir gofret ile sarılırlar. Sıcaklıklar, uzaydan çok daha soğuk olan bir Kelvin’in yalnızca birkaç binde biri kadar düşer. Imec araştırmacıları, kriyo ölçümlerini kullanarak kübit performansını ve özelliklerini çıkarır ve belirli bir tasarım ve üretim sürecinin ne kadar iyi çalıştığını değerlendirir.
Massar, “Şu anda araştırmamızı cihazların imalatına odaklıyoruz ve farklı geçit yığını malzemeleri ve modelleme teknolojisini araştırıyoruz” diyor. “Farklı substrat malzemeleri ve oluşum tariflerini de araştırıyoruz. Ve süreçlerimizin genel termal bütçesine ve bunun kübit kalitesi üzerindeki sonuçlarına bakıyoruz.
“Aynı zamanda kübit kontrolü ve tasarımı üzerinde çalışıyoruz. Cihazlarımızın tasarımını, kübitin kontrol cihazlarını ve ölçüm kurulum kalitesini iyileştiriyoruz. Örnek olarak, geçtiğimiz birkaç ay boyunca ölçüm kurulumumuzdaki elektromanyetik gürültüyü azaltmak için çalıştık. Bu, kübit okumasında daha iyi bir kaliteye yol açar.
“Öte yandan, karakterizasyon kurulum kalitesine de bakıyoruz. Qubit okumasını iyileştirmek ve ayrıca hem ölçüm miktarı hem de her bir ölçümün kalitesi açısından kurulumumuzu iyileştirmek istiyoruz.”
Imec büyük ilerleme kaydetti. Geçen yıl, yüksek uyumlu süper iletken kübitler üretmek için fabrika uyumlu bir süreç gösterdi ve şimdi süreci laboratuvardan fabrikaya aktarıyor. Bunu yaparak, yüksek tutarlılığa ve düşük değişkenliğe sahip fabrika kübitleri üretmek için yeni olanaklar açmayı umuyorlar.
Kim bilir? Belki bir gün bu, bizi bir milyon kübit kuantum bilgisayarına götürecektir.