Une nouvelle façon pour les systèmes informatiques quantiques de garder leur sang-froid

La chaleur provoque des erreurs dans les qubits qui sont les éléments constitutifs d’un ordinateur quantique, de sorte que les systèmes quantiques sont généralement conservés à l’intérieur de réfrigérateurs qui maintiennent la température juste au-dessus du zéro absolu (-459 degrés Fahrenheit).

Mais les ordinateurs quantiques doivent communiquer avec l’électronique à l’extérieur du réfrigérateur, dans un environnement à température ambiante. Les câbles métalliques qui relient ces composants électroniques apportent de la chaleur dans le réfrigérateur, qui doit travailler encore plus fort et consommer de l’énergie supplémentaire pour maintenir le système froid. De plus, plus de qubits nécessitent plus de câbles, de sorte que la taille d’un système quantique est limitée par la quantité de chaleur que le réfrigérateur peut éliminer.

Pour surmonter ce défi, une équipe interdisciplinaire de chercheurs du MIT a développé un système de communication sans fil qui permet à un ordinateur quantique d’envoyer et de recevoir des données vers et depuis l’électronique à l’extérieur du réfrigérateur en utilisant des ondes térahertz à grande vitesse.

Une puce émetteur-récepteur placée à l’intérieur du réfrigérateur peut recevoir et transmettre des données. Les ondes térahertz générées à l’extérieur du réfrigérateur sont transmises à travers une fenêtre en verre. Les données codées sur ces ondes peuvent être reçues par la puce. Cette puce agit également comme un miroir, fournissant les données des qubits sur les ondes térahertz qu’elle reflète à leur source.

Ce processus de réflexion renvoie également une grande partie de la puissance envoyée dans le réfrigérateur, de sorte que le processus ne génère qu’une quantité minimale de chaleur. Le système de communication sans contact consomme jusqu’à 10 fois moins d’énergie que les systèmes à câbles métalliques.

En ayant ce mode de réflexion, vous économisez vraiment la consommation d’énergie à l’intérieur du réfrigérateur et laissez tous ces sales travaux à l’extérieur. Bien qu’il ne s’agisse encore que d’un prototype préliminaire et que nous ayons encore de la place pour l’amélioration, même à ce stade, nous avons montré une faible consommation d’énergie à l’intérieur du réfrigérateur qui est déjà meilleure que les câbles métalliques. Je pense que cela pourrait être un moyen de construire des systèmes quantiques à grande échelle, déclare l’auteur principal Ruonan Han, professeur agrégé au Département de génie électrique et d’informatique (EECS) qui dirige le groupe d’électronique intégrée Terahertz.

Han et son équipe, avec une expertise dans les ondes térahertz et les dispositifs électroniques, ont uni leurs forces avec le professeur agrégé Dirk Englund et l’équipe du laboratoire de photonique quantique, qui ont fourni une expertise en ingénierie quantique et se sont joints à la conduite des expériences cryogéniques.

Rejoindre Han et Englund sur le papier sont le premier auteur et étudiant diplômé EECS Jinchen Wang; Mohamed Ibrahim PhD 21; Isaac Harris, étudiant diplômé du Laboratoire de photonique quantique; Nathan M. Monroe PhD 22; Muhammad Ibrahim Wasiq Khan PhD 22; et Xiang Yi, un ancien post-doctorant qui est maintenant professeur à l’Université de technologie de Chine du Sud. L’article sera présenté à l’International Solid-States Circuits Conference.

De minuscules miroirs

La puce carrée de l’émetteur-récepteur des chercheurs, mesurant environ 2 millimètres de chaque côté, est placée sur un ordinateur quantique à l’intérieur du réfrigérateur, appelé cryostat car il maintient des températures cryogéniques. Ces températures super froides n’endommagent pas la puce ; en fait, ils lui permettent de fonctionner plus efficacement qu’à température ambiante.

La puce envoie et reçoit des données d’une source d’ondes térahertz à l’extérieur du cryostat à l’aide d’un processus de communication passif appelé rétrodiffusion, qui implique des réflexions. Un réseau d’antennes au-dessus de la puce, dont chacune ne mesure qu’environ 200 micromètres, agit comme de minuscules miroirs. Ces miroirs peuvent être activés pour refléter les ondes ou désactivés.

La source de génération d’ondes térahertz encode les données sur les ondes qu’elle envoie dans le cryostat, et les antennes dans leur état désactivé peuvent recevoir ces ondes et les données qu’elles transportent.

Lorsque les minuscules miroirs sont allumés, ils peuvent être réglés de manière à refléter une onde dans sa forme actuelle ou à inverser sa phase avant de la faire rebondir. Si l’onde réfléchie a la même phase, cela représente un 0, mais si la phase est inversée, cela représente un 1. L’électronique à l’extérieur du cryostat peut interpréter ces signaux binaires pour décoder les données.

Cette technologie de rétrodiffusion n’est pas nouvelle. Par exemple, les RFID sont basées sur la communication par rétrodiffusion. Nous empruntons cette idée et l’intégrons dans ce scénario tout à fait unique, et je pense que cela conduit à une bonne combinaison de toutes ces technologies, dit Han.

Avantages térahertz

Les données sont transmises à l’aide d’ondes térahertz à grande vitesse, situées sur le spectre électromagnétique entre les ondes radio et la lumière infrarouge.

Étant donné que les ondes térahertz sont beaucoup plus petites que les ondes radio, la puce et ses antennes peuvent également être plus petites, ce qui faciliterait la fabrication de l’appareil à grande échelle. Les ondes térahertz ont également des fréquences plus élevées que les ondes radio, elles peuvent donc transmettre des données beaucoup plus rapidement et déplacer de plus grandes quantités d’informations.

Mais parce que les ondes térahertz ont des fréquences plus basses que les ondes lumineuses utilisées dans les systèmes photoniques, les ondes térahertz transportent moins de bruit quantique, ce qui entraîne moins d’interférences avec les processeurs quantiques.

Il est important de noter que la puce d’émetteur-récepteur et la liaison térahertz peuvent être entièrement construites avec des processus de fabrication standard sur une puce CMOS, de sorte qu’elles peuvent être intégrées dans de nombreux systèmes et techniques actuels.

La compatibilité CMOS est importante. Par exemple, une liaison térahertz pourrait fournir une grande quantité de données et la transmettre à un autre contrôleur cryo-CMOS, qui peut diviser le signal pour contrôler plusieurs qubits simultanément, ce qui nous permet de réduire considérablement la quantité de câbles RF. C’est très prometteur. dit Wang.

Les chercheurs ont pu transmettre des données à 4 gigabits par seconde avec leur prototype, mais Han dit que le ciel est presque la limite lorsqu’il s’agit d’augmenter cette vitesse. La liaison descendante du système sans contact posait environ 10 fois moins de charge thermique qu’un système avec des câbles métalliques, et la température du cryostat fluctuait jusqu’à quelques millidegrés au cours des expériences.

Maintenant que les chercheurs ont démontré cette technologie sans fil, ils veulent améliorer la vitesse et l’efficacité des systèmes en utilisant des fibres térahertz spéciales, qui ne mesurent que quelques centaines de micromètres de large. Le groupe Hans a montré que ces fils en plastique peuvent transmettre des données à un débit de 100 gigabits par seconde et ont une bien meilleure isolation thermique que les câbles métalliques plus gros.

Les chercheurs souhaitent également affiner la conception de leur émetteur-récepteur pour améliorer l’évolutivité et continuer à augmenter son efficacité énergétique. Générer des ondes térahertz nécessite beaucoup de puissance, mais le groupe Hans étudie des méthodes plus efficaces qui utilisent des puces à faible coût. L’intégration de cette technologie dans le système pourrait rendre l’appareil plus rentable.

La puce de l’émetteur-récepteur a été fabriquée dans le cadre du programme Intel University Shuttle.