تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل در حال ساخت کامپیوترهای کوانتومی با مدارهای مایکروویو ابررسانا است، اما مانند یک کامپیوتر کلاسیک، پردازنده ابررسانا در قلب این کامپیوترها تنها بخشی از داستان است. برای اینکه کامپیوتر کوانتومی به درستی کار کند، به یک پشته فناوری کامل از سخت افزارهای جانبی نیاز است. در بسیاری از موارد این قطعات باید به صورت سفارشی طراحی شوند و برای رسیدن به بالاترین سطوح کارایی نیاز به تحقیق و توسعه گسترده دارند.
در این پست، یک جنبه از این سخت افزار تکمیلی را برجسته می کنیم: تقویت کننده های مایکروویو ابررسانا. در کتاب “خوانش یک پردازنده کوانتومی با تقویت کننده های پارامتریک جوزفسون با برد دینامیکی بالا” منتشر شده در نامه های فیزیک کاربردی، ما توضیح می دهیم که چگونه ماکزیمم توان خروجی تقویت کننده های مایکروویو ابررسانا خود را بیش از 100 برابر افزایش دادیم. ما بحث می کنیم که چگونه این کار می تواند راه را برای عملکرد تراشه های پردازنده کوانتومی بزرگتر با عملکرد بهبود یافته هموار کند.
چرا تقویت کننده های مایکروویو؟
یکی از چالش های کارکرد یک پردازنده کوانتومی ابررسانا، اندازه گیری وضعیت یک کیوبیت بدون ایجاد اختلال در عملکرد آن است. اساساً، این به یک مشکل مهندسی مایکروویو منتهی می شود، جایی که ما باید بتوانیم انرژی داخل تشدید کننده کیوبیت را بدون قرار گرفتن در معرض سیم کشی پر سر و صدا یا اتلاف اندازه گیری کنیم. این را می توان با افزودن یک تشدید کننده مایکروویو اضافی به سیستم که به کیوبیت کوبیت شده است، اما دور از فرکانس تشدید کیوبیت انجام می شود. تشدید کننده به عنوان فیلتری عمل می کند که کیوبیت را از خطوط کنترل جدا می کند، اما همچنین یک تغییر فرکانس وابسته به حالت را از کیوبیت دریافت می کند. درست مانند تکنیک رمزگذاری تغییر فاز باینری (BPSK)، حالت دیجیتال کیوبیت (0 یا 1) به فازی برای تون پروب (سیگنال مایکروویو) که از این تشدیدگر کمکی منعکس می‌شود، ترجمه می‌شود. اندازه‌گیری فاز این تون کاوشگر به ما امکان می‌دهد تا وضعیت کیوبیت را بدون ارتباط مستقیم با خود کیوبیت استنباط کنیم.
در حالی که این ساده به نظر می رسد، کیوبیت در واقع محدودیت شدیدی را بر میزان قدرتی که می توان برای این صدای کاوشگر استفاده کرد اعمال می کند. در عملکرد عادی، یک کیوبیت باید در حالت 0 یا حالت 1 یا مقداری برهم نهی از این دو باشد. یک پالس اندازه گیری باید کیوبیت را در یکی از این دو حالت جمع کند، اما استفاده از توان بیش از حد می تواند آن را به حالت برانگیختگی بالاتر برده و محاسبات را خراب کند. یک توان اندازه‌گیری ایمن معمولاً حدود -125 دسی‌بل‌متر است، که تنها تعداد انگشت شماری فوتون مایکروویو با پردازنده در طول اندازه‌گیری تعامل دارند. به طور معمول، سیگنال های کوچک با استفاده از تقویت کننده های مایکروویو اندازه گیری می شوند که سطح سیگنال را افزایش می دهند، اما نویز خود را نیز اضافه می کنند. چقدر نویز قابل قبول است؟ اگر فرآیند اندازه گیری بیش از حد طول بکشد، حالت کیوبیت می تواند به دلیل اتلاف انرژی در مدار تغییر کند. این بدان معناست که این سیگنال های بسیار کوچک باید تنها در چند صد نانوثانیه با وفاداری بسیار بالا (بیش از 99%) اندازه گیری شوند. بنابراین ما نمی توانیم میانگین سیگنال را در مدت زمان طولانی تری برای کاهش نویز بپردازیم. متأسفانه، حتی بهترین تقویت کننده های نیمه هادی کم نویز هنوز تقریباً 10 برابر نویز هستند.
راه حل این است که تقویت کننده های سفارشی خود را بر اساس همان عناصر مداری که خود کیوبیت ها دارند طراحی کنیم. این تقویت‌کننده‌ها معمولاً از اتصالات جوزفسون تشکیل شده‌اند تا یک اندوکتانس تنظیم‌پذیر را که به یک مدار رزونانس ابررسانا متصل می‌شوند، ایجاد کنند. با ساختن یک مدار تشدید از این عناصر، می توانید یک تقویت کننده پارامتری ایجاد کنید که در آن تقویت با مدولاسیون اندوکتانس قابل تنظیم در دو برابر فرکانسی که می خواهید تقویت کنید، حاصل می شود. علاوه بر این، از آنجا که تمام سیم‌کشی‌ها از ابررساناهای بدون تلفات ساخته شده‌اند، این دستگاه‌ها نزدیک به حد کوانتومی نویز اضافه کار می‌کنند، جایی که تنها نویز در سیگنال ناشی از تقویت نوسانات ولتاژ کوانتومی نقطه صفر است.
یکی از نکات منفی این دستگاه ها این است که اتصالات جوزفسون قدرت سیگنال هایی را که می توانیم اندازه گیری کنیم محدود می کند. اگر سیگنال خیلی بزرگ باشد، جریان درایو می تواند به جریان بحرانی اتصال نزدیک شود و عملکرد تقویت کننده را کاهش دهد. حتی اگر این حد برای اندازه‌گیری یک کیوبیت کافی بود، هدف ما افزایش کارایی با اندازه‌گیری حداکثر شش کیوبیت در یک زمان با استفاده از همان تقویت‌کننده بود. برخی از گروه‌ها با ساخت تقویت‌کننده‌های موج سیار، جایی که سیگنال‌ها در هزاران اتصال توزیع می‌شوند، این محدودیت را دور می‌زنند. این قدرت اشباع را افزایش می دهد، اما تقویت کننده ها برای تولید بسیار پیچیده می شوند و فضای زیادی را روی تراشه اشغال می کنند. هدف ما ایجاد تقویت‌کننده‌ای بود که بتواند به اندازه یک تقویت‌کننده موج سیار، اما با همان طراحی ساده و جمع و جور که به آن عادت کرده بودیم، قدرت را تحمل کند.
نتایج
جریان بحرانی هر اتصال جوزفسون، کنترل توان تقویت کننده ما را محدود می کند. با این حال، افزایش این جریان بحرانی باعث تغییر اندوکتانس و در نتیجه فرکانس کاری تقویت کننده می شود. برای جلوگیری از این محدودیت‌ها، ما یک DC SQUID استاندارد 2 اتصالی را با یک سلف تنظیم‌پذیر غیرخطی که از دو آرایه RF-SQUID به صورت موازی تشکیل شده بود، جایگزین کردیم که به آن می‌گوییم القاگر مار. هر RF-SQUID از یک اتصال جوزفسون و اندوکتانس های هندسی L1 و L2 تشکیل شده است و هر آرایه شامل 20 RF-SQUID است. در این مورد، هر اتصال یک SQUID استاندارد DC با یکی از این آرایه های RF-SQUID جایگزین می شود. در حالی که جریان بحرانی هر RF-SQUID بسیار بالاتر است، ما آنها را به هم زنجیر می کنیم تا اندوکتانس و فرکانس کاری یکسان باقی بمانند. در حالی که این افزایش نسبتاً متوسطی در پیچیدگی دستگاه است، اما ما را قادر می سازد تا قدرت کنترل هر آمپلی فایر را تقریباً 100 برابر افزایش دهیم. همچنین با طرح های موجود که از مدارهای تطبیق امپدانس برای ارائه پهنای باند اندازه گیری بزرگ استفاده می کنند، کاملاً سازگار است.
 |
| نمودار مدار تقویت کننده مایکروویو ابررسانا ما. یک سیم پیچ بایاس تقسیم امکان مدولاسیون DC و RF القاگر مار را فراهم می کند، در حالی که یک خازن شنت محدوده فرکانس را تنظیم می کند. جریان جریان در انیمیشن نشان داده شده است که در آن یک جریان اعمال شده (آبی) روی خط بایاس باعث ایجاد جریان در گردش می شود (قرمز) در مار. ترانسفورماتور امپدانس مخروطی Q بارگذاری شده دستگاه را کاهش می دهد. از آنجایی که Q به عنوان فرکانس تقسیم بر پهنای باند تعریف می شود، کاهش Q با فرکانس ثابت، پهنای باند تقویت کننده را افزایش می دهد. پارامترهای مدار نمونه مورد استفاده برای یک دستگاه واقعی عبارتند از Cs=6.0 pF، L1=2.6 pH، L2=8.0 pH، Lb=30 pH، M=50 pH، Z.0 = 50 اهم و Zنهایی = 18 اهم عملکرد دستگاه با یک سیگنال کوچک نشان داده شده است (ارغوانی) منعکس کننده ورودی تقویت کننده. وقتی صدای پمپ بزرگ (آبی) روی پورت بایاس اعمال می شود، نسخه های تقویت شده سیگنال را تولید می کند (طلا) و یک لحن ثانویه که به عنوان بیکار شناخته می شود (همچنین طلا). |
ما این بهبود عملکرد را با اندازه‌گیری قدرت اشباع تقویت‌کننده یا نقطه‌ای که در آن بهره 1 دسی‌بل فشرده می‌شود، اندازه‌گیری می‌کنیم. ما همچنین این مقدار توان را در مقابل فرکانس اندازه‌گیری می‌کنیم تا ببینیم چگونه با بهره تقویت‌کننده و فاصله از مرکز پهنای باند تقویت‌کننده مقیاس می‌شود. از آنجایی که بهره تقویت کننده نسبت به فرکانس مرکزی آن متقارن است، آن را بر حسب دتونینگ مطلق اندازه گیری می کنیم، که فقط مقدار مطلق اختلاف بین فرکانس مرکزی تقویت کننده و فرکانس تون پروب است.
 |
| توان اشباع ورودی و خروجی (نقطه فشرده سازی افزایش 1-dB)، کالیبره شده با استفاده از یک پردازنده کوانتومی ابررسانا در مقابل جداسازی مطلق از فرکانس مرکزی تقویت کننده. |
نتیجه گیری و مسیرهای آینده
تقویت کننده های مایکروویو جدید یک گام بزرگ به جلو برای سیستم اندازه گیری کیوبیت ما است. آنها به ما این امکان را می‌دهند که با استفاده از یک دستگاه، کیوبیت‌های بیشتری را اندازه‌گیری کنیم و تکنیک‌هایی را فعال کنیم که برای هر تن اندازه‌گیری به توان بالاتری نیاز دارند. با این حال، هنوز مناطق بسیار کمی وجود دارد که مایلیم آنها را بررسی کنیم. به عنوان مثال، ما در حال حاضر در حال بررسی کاربرد القاگرهای مار در تقویت‌کننده‌هایی با تکنیک‌های تطبیق امپدانس پیشرفته، تقویت‌کننده‌های جهتی، و دستگاه‌های غیر متقابل مانند سیرکولاتورهای مایکروویو هستیم.
سپاسگزاریها
مایلیم از تیم هوش مصنوعی کوانتوم برای زیرساخت ها و پشتیبانی که باعث ایجاد و اندازه گیری دستگاه های تقویت کننده مایکروویو ما شد تشکر کنیم. با تشکر از گروه کارآموزان با استعداد ما در تحقیقات Google که در کار آینده ذکر شده در بالا مشارکت داشتند: آندریا ایوریو برای توسعه الگوریتم‌هایی که به طور خودکار تقویت‌کننده‌ها را تنظیم می‌کنند و تصویری فوری از فضای پارامترهای محلی ارائه می‌دهند، رایان کافمن برای اندازه‌گیری کلاس جدیدی از تقویت‌کننده‌ها با استفاده از چند قطبی. شبکه های تطبیق امپدانس و رندی کوند برای طراحی و آزمایش طیف وسیعی از دستگاه های پارامتریک بر اساس سلف های مار. با مشارکت آنها، ما در حال به دست آوردن درک بهتری از تقویت کننده های خود و طراحی نسل بعدی دستگاه های پارامتریک محور هستیم.