Kvantdatorer kan lösa oerhört komplexa problem och öppnar nya möjligheter inom till exempel läkemedelsutveckling, kryptering, AI och logistik. Nu har forskare på Chalmers utvecklat en effektsnål förstärkare som bara aktiveras när den läser av information från kvantbitar. Genom sin smarta design förbrukar den bara en tiondel av den effekt som dagens bästa förstärkare kräver. Det innebär minskad störning av de känsliga kvantbitarna och banar väg för kraftfullare kvantdatorer med många fler kvantbitar och högre prestanda.
Byggstenarna i en klassisk dator, bitar, kan antingen ha värdet 1 eller 0. De vanligaste byggstenarna i en kvantdator däremot, kvantbitar, kan ha värdet 1 och 0 samtidigt och alla tillstånd däremellan i vilken kombination som helst. Det innebär att en kvantdator med 20 kvantbitar kan representera över en miljon olika tillstånd på samma gång. Fenomenet kallas superposition och är en av orsakerna till att en kvantdator kan ta sig an extremt komplexa beräkningsproblem bortom räckhåll för dagens klassiska superdatorer.
Förstärkare är nödvändiga – men stör
För att kunna använda kvantdatorns beräkningar behöver kvantbitar mätas och omvandlas till tolkningsbar information. Här krävs oerhört känsliga mikrovågsförstärkare som ser till att de svaga signalerna kan uppfattas och läsas av på rätt sätt. Men att mäta kvantbitar är en oerhört känslig process. Minsta temperaturskillnad, brus eller elektromagnetisk störning får kvantbitarna att tappa sina kvanttillstånd – och därmed även förmågan att använda kvantinformationen. Eftersom förstärkarna avger effekt i form av värme orsakar de alltså störningar. Inom forskningsfältet pågår därför en ständig jakt på bättre förstärkare av kvantbitar.
Nu har Chalmersforskarna tagit ett viktigt steg på vägen med sin nya effektsnåla förstärkare.
– Det här är den känsligaste förstärkaren som man idag kan konstruera med transistorer. Vi har nu fått ner effekten till en tiondel, jämfört med dagens bästa förstärkare, utan att göra avkall på prestanda. Vi hoppas och tror att det här kommer att öppna för mer korrekta kvantutläsningar i framtiden, säger Yin Zeng, forskarstuderande inom terahertz och millimetervågsteknik vid Chalmers och förstaförfattare till studien publicerad i den vetenskapliga tidskriften IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
Viktig pusselbit i uppskalning av kvantdatorer
Framsteget kan få betydelse i arbetet med att skala upp kvantdatorer med många fler kvantbitar än idag. Detta är även ett område där Chalmers arbetar intensivt sedan flera år tillbaka inom ramen för nationella forskningsprogrammet Wallenberg Centre for Quantum Technology.
Med fler kvantbitar ökar kvantdatorns beräkningskraft och förmåga att ta sig an komplexare beräkningar. Men större kvantdatorsystem kräver även betydligt fler förstärkare och därmed blir den totala effektförbrukning som kan störa kvantbitarna mycket högre.
– Den här studien erbjuder en lösning vid framtida uppskalning av kvantdatorsystem där värmeutvecklingen från dessa förstärkare av kvantbitar utgör en begränsande faktor, säger Jan Grahn, professor i mikrovågselektronik vid Chalmers och huvudhandledare för Yin Zeng.
Aktiveras bara när den behövs
Till skillnad från andra lågbrusförstärkare är Chalmersforskarnas nya förstärkare pulsstyrd; i stället för att vara konstant påslagen aktiveras den endast när den behövs.
– Det här är första gången det har gått att visa att lågbrusiga halvledarförstärkare för kvantutläsning kan användas i pulsat tillstånd med bevarad känslighet och drastiskt minskad effektförbrukning jämfört med dagens teknik, säger Jan Grahn.
Eftersom signalerna med kvantinformation levereras i pulser har en viktig utmaning i arbetet handlat om att få förstärkaren att aktiveras så snabbt som möjligt för att hinna med kvantbitsavläsningen. Chalmersforskarna löste problemet genom att skapa en smart förstärkardesign med en algoritm som förbättrar styrningen av förstärkaren. För att verifiera metoden utvecklade forskarna även en ny mätteknik för brus och förstärkning av pulsstyrda mikrovågsförstärkare.
– Vi använde oss av så kallad genetisk programmering för att styra förstärkaren smart. Det innebar att den svarade mycket snabbare, på enbart 35 nanosekunder, vid inkommande kvantbitspuls, säger Yin Zeng.
Mer information om studien:
Läs den vetenskapliga artikeln Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout i tidskriften IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
Artikeln är skriven av Yin Zeng och Jan Grahn på avdelningen för terahertz- och millimetervågsteknik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola, och av Jörgen Stenarson och Peter Sobis, verksamma vid Low Noise Factory.
Förstärkaren har utvecklats i Kollberglaboratoriet på Chalmers tekniska högskola och på Low Noise Factory AB i Göteborg.
Forskningsprojektet är finansierat av Chalmers kompetenscentrum för trådlös infrastrukturteknologi, WiTECH, och av Vinnovaprogrammet Smartare elektroniksystem.
- Professor, Terahertz- och millimetervågsteknik, Mikroteknologi och nanovetenskap
- Gästforskare, Terahertz- och millimetervågsteknik, Mikroteknologi och nanovetenskap