複数の量子ビットの制御信号を生成するための極低温CMOSチップ

シドニー大学教授で、Microsoft Quantum Sydneyのプリンシパルリサーチャー兼ディレクターのデビッド・ライリーのチームは、100mKで量子ビットを制御するための複数の電気信号を提供できるCMOSベースのプラットフォームの構築に成功した。

複数の量子ビットの制御信号を生成するための極低温CMOSチップ

シドニー大学とマイクロソフト社の科学者とエンジニアは、量子コンピュータの構成要素である数千の量子ビットの制御信号を生成できるシングルチップを発明した。

量子コンピュータのスケールアップには、通常ミリケルビン温度で動作する大量の量子ビットを操作して読み出すことができる制御インターフェースが必要になる。先進の相補的金属酸化膜半導体(CMOS)技術は、このようなインターフェースを実現するための魅力的なプラットフォームである。しかし、このアプローチは消費電力が高く、壊れやすい量子ビットの加熱につながる可能性があるため、一般的には敬遠されている。シドニー大学教授で、Microsoft Quantum Sydneyのプリンシパルリサーチャー兼ディレクターのデビッド・ライリーのチームは、100mKで量子ビットを制御するための複数の電気信号を提供できるCMOSベースのプラットフォームの構築に成功した。

Nature Electronics誌に掲載された研究結果によると、研究チームは室温でのデジタル入力信号で構成されたチップを実証し、スイッチドキャパシタをベースとしたオンチップ回路セルを用いて、量子ビットの並列制御のためのスタティック電圧とダイナミック電圧を生成することを示している。このCMOSチップを用いて、量子ドットデバイスのバイアスや、チップ上で生成された電圧パルスを介して量子ドットのコンダクタンスを切り替えることができる。6つのセルの測定結果から、100mVの制御パルスを発生させるための平均消費電力は、セルあたり18nWであることを明らかにした。1,000個のセルを含むスケールアップシステムは、市販の希釈冷凍機で冷却できると推定している。

量子回路では、古典的なプロセッサのようにデータをファンインしたりファンアウトしたりすることができないため、入出力(IO)のボトルネックが大きくなることに対処しなければならない。量子コンピュータは、すべてのロジックゲートを外部信号で個別に制御している。

ライリー教授は、数千のクビットを制御するために拡張できるチップベースの極低温CMOSインターフェースシステムを提案している。制御システムと量子ビットを同じ基板上にモノリシックに統合する必要がなく、我々のアーキテクチャは、マジョアナ・ゼロモード(MZM)、電子スピン、またはゲートモンデバイスに基づく半導体量子古典的なインターフェースでIOボトルネックを管理するために、タイトなチップ間相互接続を活用することができる。

研究では、100mK付近で超低消費電力で機能する複雑なCMOS回路を設計することで、量子ビットとその制御装置の緊密な統合を可能にした、と主張している。彼らの制御システムは、量子デバイスを室温電子機器に直接接続することなく、量子ビットのアレイを操作するために必要な多数の静的電圧と動的電圧を生成するという。

ミリメートルスケールの集積回路(IC)として実装されたこのシステムは、室温からわずか4本の低帯域幅のワイヤを必要とするシリアル・ペリフェラル・インターフェース(SPI)を介してデジタル命令を受信。命令は、オンチップ有限状態マシン(FSM)のデジタルロジックによって処理され、クビットとのインターフェースとなるアナログ回路ブロックが構成される。これらの回路は、極低温でのトランジスターの低リークを利用して、バイアシングとクビットのチューンナップに必要なゲート構造を含むフローティングコンデンサに電荷を蓄える。このようにして静的に校正された電圧を生成することで、この回路は単一の直流電圧源を入力とし、それを多数の可変出力に多重化し、その数は原理的に非常に多くなる可能性がある。

量子コンピュータの量子古典的なインターフェース。 a) 量子コンピューティングに必要な要素の一般的なスタック。茶色のクライオCMOSチップは、制御信号のIOボトルネックに対応している。 c) 30GaAs量子ドットをベースにした量子ビットテストプラットフォームの写真と電子顕微鏡写真[詳細は付録マットを参照してください]。各チップは金メッキ銅製のサーマルピラーに固定されており、CMOSチップには別のピラーが使用されている。 e) セットアップの熱伝導率の簡易モデル.部分的に分離された冷却柱の使用目的は、混合室への熱伝導率を高め(大きな赤矢印)、高温のCMOSチップから量子ビットデバイスに流れる直接の熱(小さな赤矢印)を減らすことにある。

提案されているCMOSチップのフロアプランは、デジタルブロックとアナログブロックから構成されている。チップの左下には、一連のデジタル論理回路が結合されており、FSM(to-gether ∼100kトランジスタ)を介して通信、波形メモリ、チップの自律動作を実現している。メモリは128ビットのレジスタとして構成されており、任意のパルスパターンを記憶することができる。また、出力周波数を設定可能なリングオシレータとして実装されたマスター発振器も搭載している。チップの左端と下端には、量子ビットの制御に必要なスタティック電圧とダイナミック電圧を生成するアナログ回路ブロック「チャージロック・ファストゲート」(CLFG)が繰り返し配置されている。

「量子コンピューティングの可能性を実現するためには、数百万とまではいかないまでも、数千、数百万の量子ビットで動作する機械が必要になるだろう」と、このチップの設計者であり、マイクロソフトと共同で研究を行っているシドニー大学デビッド・ライリー教授は述べている。

「世界最大の量子コンピュータは、現在、わずか50かそこらの量子ビットで動作している。この規模の小ささは、クビットを制御する物理的なアーキテクチャの限界が原因の一つである。我々の新しいチップはその限界に終止符を打つ」とライリーは述べている。

ほとんどの量子システムでは、量子ビットを絶対零度(-273.15度)に近い温度で動作させる必要がある。これは、量子コンピュータが特殊な計算を行うために必要な物質や光の特性である「量子性」を失わないようにするためである。

量子デバイスが何かをするためには 命令が必要です つまり量子ビットとの間で電子信号を送受信することだ。現在の量子アーキテクチャでは、多くの配線が必要になる。

現在の機械は、信号を制御するために複雑なワイヤーの配列を作り出している。根本的には非現実的だ。つまり、有用な計算を行うために機械をスケールアップすることができないのです。入力と出力のボトルネックがある。

マイクロソフトのシニア・ハードウェア・エンジニアで、チップの共同発明者であるクシャル・ダス博士は、リリースの中で次のように述べている。「私たちのデバイスは、これらすべてのケーブルを取り除きます。入力として情報を運ぶ2本のワイヤだけで、何千もの量子ビットの制御信号を生成することができる。これは、量子コンピューティングのすべてを変えるものだ」

この制御チップは、シドニー大学のマイクロソフト量子研究所で開発された。量子コンピュータの構築は、おそらく21世紀で最も困難な工学的課題であり、これは、単一国の大学の研究室の小さなチームでは達成できないが、マイクロソフトのような世界的な技術の巨人が提供している規模が必要だという。

参照文献

  1. S. J. Pauka, K. Das, R. Kalra, A. Moini, Y. Yang, M. Trainer, A. Bousquet, C. Cantaloube, N. Dick, G. C. Gardner, M. J. Manfra, D. J. Reilly. A cryogenic CMOS chip for generating control signals for multiple qubits. Nature Electronics, 2021; 4 (1): 64 DOI: 10.1038/s41928-020-00528-y

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