Bagaimana vakum memungkinkan masa depan komputasi kuantum 28 September 2020

5 MIN READ

Abad ke-21 kini dijuluki Quantum Age. Baik melalui pemodelan keuangan, keamanan siber, atau kecerdasan buatan, manfaat komputasi kuantum sudah terwujud.

Qubit dalam komputer kuantum dapat secara dramatis mengungguli teknik klasik dengan menggabungkan keadaan 1 dan 0, bukan ada sebagai satu atau lainnya, sehingga memungkinkan perhitungan dengan kecepatan yang luar biasa.

Mereka melakukan hal ini dengan mengeksploitasi perilaku aneh materi pada tingkat atom - yaitu superposisi dan kusut. Tidak mengherankan, perangkat keras yang digunakan sangat rapuh dan rentan terhadap gangguan, sehingga sulit untuk menyiapkan dan mengontrol keadaan kuantum yang akurat. Beberapa komponen harus didinginkan hingga mendekati nol absolut, sementara yang lain harus disimpan dalam vakum ultra tinggi (UHV).

2020 telah menjadi tahun yang sangat menantang bagi kebanyakan orang, tetapi ada sedikit lapisan perak bagi sejumlah peneliti kuantum yang telah mampu memanfaatkan keadaan "kota hantu" laboratorium universitas dan oleh karena itu tidak adanya kebisingan dan getaran - persis apa yang dibutuhkan qubit untuk menghindari dekoherensi (kehilangan perilaku kuantum terhadap lingkungan). Interaksi apa pun antara qubit dan lingkungannya dapat membuatnya keluar dari keadaan superposisi atau terjerat. Oleh karena itu, kemampuan untuk menciptakan dan mempertahankan UHV yang sesuai sangatlah penting. (untuk memastikan keselamatan tim Anda dan efisiensi proses Anda, baca apa yang perlu Anda ketahui tentang bekerja di bawah HV dan UHV .)

Perangkap ion

Superposisi adalah kemampuan atom atau ion berada dalam beberapa keadaan secara bersamaan dan kusut adalah koneksi unik yang dibagikan antara 2 qubit. Ada banyak cara untuk menghasilkan kusut, termasuk mendekatkan dua partikel, melakukan operasi untuk kusut dan memisahkannya lagi. Tidak peduli seberapa jauh jaraknya, keduanya akan selalu memberikan hasil yang sama. Operasi dapat dilakukan dengan mendinginkan atom atau ion hingga mendekati nol absolut, dan memanipulasinya, dengan laser presisi di dalam ruang UHV.

Volume internal ruang UHV semacam itu bisa sekecil beberapa sentimeter kubik, tetapi terlepas dari ukurannya, teknologi vakum tersedia untuk mencapai kondisi yang diperlukan. Pompa sputter ion, misalnya rangkaian "profil kecil" TiTan dari Gamma Vacuum, adalah metode yang diterima untuk menghasilkan dan mempertahankan kondisi UHV dengan kecepatan pemompaan mulai dari miniatur 0,2 l/s hingga 75 l/s. Dengan pompa tersebut, dan opsional pompa sublimasi titanium (TSP) yang digunakan bersamaan untuk meningkatkan pemompaan, tingkat vakum yang lebih langka daripada ruang luar dapat dicapai.

Pompa ion TiTan

Sirkuit superkonduktif

Ketika menyangkut peningkatan skala solusi, fenomena perangkap ion untuk menyimpan informasi kuantum tidak cukup terbukti seperti memproduksi qubit sebagai bagian dari sirkuit superkonduktif, umumnya memanfaatkan superkonduktor niobium dan aluminium sebagai kapasitor dan induktor. Produksi sirkuit film tipis superkonduktif ini hanya dapat dicapai melalui teknik vakum, seperti deposisi lapisan atom, deposisi laser berpulsa, dan deposisi uap fisik melalui magnetron sputtering atau evaporasi e-beam.

Perangkat superkonduktif memiliki sifat unik karena menjadi konduktif pada suhu tertentu. Lemari es pengenceran adalah metode yang diterima saat ini untuk mempertahankan suhu yang sangat rendah, dalam urutan milikelvin (bahkan lebih dingin dari luar angkasa.) Ini adalah proses lain, selain sistem bebas kriogen, yang memerlukan pompa vakum untuk mendaur ulang dan mengompresi helium-3 yang menguap sebelum mengencerkannya lagi dengan helium-4, serta menyediakan isolasi vakum dalam dan luar.

Teknik vakum modern

Pompa ion sputter dan TSP perlu dioperasikan pada tekanan di bawah sekitar 5E ^-4 mbar (tergantung pada jenis elemen) karena energi listrik yang diperlukan untuk mengionisasi banyak partikel pada tekanan yang lebih tinggi akan terlalu besar untuk catu daya. Oleh karena itu, pemompaan kasar yang memadai dengan pompa vakum awal dan pompa turbomolekuler sangat penting.

Pompa roots multi-tahap bebas oli ECODRY plus dari Leybold memiliki getaran dan kebisingan yang sangat rendah, tanpa perlu pemeliharaan selama beberapa tahun pada aplikasi bersih. Pasangan ini dengan pompa turbomolekul rendah getaran dengan bantalan yang mengangkat secara magnetis (serta bellow penyerap getaran untuk meningkatkan stabilitas lebih lanjut) membuat pengaturan yang sempurna untuk sistem yang bersih dan bebas getaran, serta mengurangi kebutuhan untuk mengisolasi sistem UHV dari sistem kasar terpisah.

ECODRY plus

Pada tingkat vakum yang diperlukan untuk perangkap ion, hidrogen adalah gas residu utama dan berperan jahat dalam mempertahankan UHV karena terungkap dari bagian dalam komponen logam. Oleh karena itu, diperlukan prosedur bakeout yang panjang, terkadang hingga berminggu-minggu, untuk menghilangkan kelebihan hidrogen dari dalam komponen yang digunakan. Dalam eksperimen, hal ini dapat menjadi masalah nyata, terutama jika sistem terbuka dan tertutup ke atmosfer secara berulang. Salah satu cara untuk meningkatkan pumpdown ke kondisi UHV dan meminimalkan efek laju desorpsi adalah dengan memperkenalkan pemompaan kriogenik menggunakan pelat dingin yang memiliki laju adsorpsi yang lebih tinggi. Hal ini memungkinkan pemompaan yang lebih cepat ke UHV dan dapat dicapai dengan coldhead siklus tertutup Gifford-McMahon, misalnya jajaran COOLPOWER dari Leybold, yang mengembang dan mengompresi helium untuk mencapai suhu kriogenik.

COOLPOWER 140 i

Helium memainkan peran lain yang berguna dalam mengungkap kebocoran dan lokasinya. Sistem UHV pemeriksaan kebocoran helium adalah metode deteksi kebocoran yang paling canggih dan sangat penting untuk memastikan bahwa sistem ini akan mempertahankan integritas vakum sepanjang masa pakainya. Dengan demikian, ion yang terperangkap dapat tetap tidak terganggu oleh apa pun selain laser atau sinar gelombang mikro. Jajaran produk PHOENIX dari Leybold adalah yang paling inovatif dalam teknologi deteksi kebocoran, memenuhi dengan akurasi dan kecepatan persyaratan kualitas penelitian kuantum yang semakin meningkat saat ini.

Leybold telah menyediakan solusi khusus untuk teknik deposisi film tipis selama beberapa dekade, melalui jajaran UNIVEX. Bahan superkonduktif dengan kemurnian tinggi dapat dibentuk hingga ketebalan yang akurat, cocok untuk sirkuit dalam komputer kuantum. Sumber sputter magnetron DC atau RF, pistol e-beam, dan/atau deposisi berbantuan ion dapat ditentukan bersama dengan pemanasan/pendinginan dan rotasi substrat, serta kontrol sistem penuh.

Ada pertanyaan tentang vakum, komputasi kuantum, dan aplikasi unik Anda? Klik tombol di bawah ini dan chatting dengan tim Leybold.