Bagaimana vakum membolehkan masa depan pengkomputeran kuantum 28 September 2020

Qubit dalam komputer kuantum boleh mengatasi teknik klasik dengan ketara dengan menggabungkan keadaan 1 dan 0, bukannya wujud sebagai satu atau yang lain, membolehkan pengiraan pada kelajuan yang luar biasa.

Mereka melakukan ini dengan mengeksploitasi perilaku aneh materi pada tingkat atom – iaitu superposisi dan keterikatan. Tidak mengejutkan, perkakasan yang digunakan sangat rapuh dan terdedah kepada gangguan, jadi sukar untuk menyediakan dan mengawal keadaan kuantum yang tepat. Beberapa komponen perlu disejukkan hampir kepada sifar mutlak, manakala yang lain mesti disimpan dalam vakum ultra-tinggi (UHV).

Tahun 2020 telah menjadi tahun yang sangat mencabar bagi kebanyakan orang, tetapi terdapat sedikit harapan bagi sejumlah penyelidik kuantum yang telah dapat memanfaatkan keadaan makmal universiti yang seolah-olah "bandar hantu" dan oleh itu ketiadaan bunyi dan getaran – tepat apa yang diperlukan oleh qubit untuk mengelakkan dekoheren (kehilangan tingkah laku kuantum kepada persekitaran). Sebarang interaksi antara qubit dan persekitarannya boleh mengeluarkannya daripada keadaan superposisi atau keterikatan. Oleh itu, kemampuan untuk mencipta dan mengekalkan UHV yang sesuai adalah kritikal. (untuk memastikan keselamatan pasukan anda dan kecekapan proses anda, baca apa yang perlu anda ketahui tentang bekerja di bawah HV dan UHV.)

Superposisi adalah kemampuan bagi atom atau ion untuk berada dalam pelbagai keadaan secara serentak dan keterikatan adalah sambungan unik yang dikongsi antara 2 qubit. Terdapat banyak cara untuk menghasilkan keterikatan, termasuk membawa dua zarah dekat bersama, melakukan operasi untuk mengikatkan mereka dan memisahkan mereka semula. Tidak kira betapa jauh mereka terpisah, hasilnya akan sentiasa sama. Operasi boleh dilakukan dengan menyejukkan atom atau ion hampir kepada sifar mutlak, dan memanipulasinya dengan laser yang tepat dalam ruang UHV.

Isi dalaman ruang UHV seperti ini boleh serendah beberapa sentimeter padu, tetapi tidak kira saiznya, teknologi vakum wujud untuk mencapai keadaan yang diperlukan. Pam semburan ion contohnya, julat “profil kecil” TiTan oleh Gamma Vacuum, adalah kaedah yang diterima untuk menghasilkan dan mengekalkan keadaan UHV dengan kelajuan pam yang berkisar dari 0,2 l/s yang kecil hingga 75 l/s. Dengan pam tersebut, dan secara pilihan pam sublimasi titanium (TSP) yang digunakan bersama untuk meningkatkan pam, tahap vakum yang lebih jarang daripada ruang angkasa dapat dicapai.

Apabila bercakap tentang meningkatkan penyelesaian, fenomena perangkap ion untuk menyimpan maklumat kuantum tidak begitu terbukti seperti penghasilan qubit sebagai sebahagian daripada litar superkonduktor, yang biasanya menggunakan superkonduktor niobium dan aluminium sebagai kapasitor dan induktor masing-masing. Pengeluaran litar filem nipis superkonduktor ini hanya dapat dicapai melalui teknik vakum, seperti pemendapan lapisan atom, pemendapan laser berdenyut, dan pemendapan wap fizikal melalui sputtering magnetron atau penyejatan e-beam.

Peranti superkonduktor mempunyai sifat unik di mana ia menjadi konduktif pada suhu tertentu. Peti sejuk pencairan adalah kaedah yang diterima hari ini untuk mengekalkan suhu yang sangat rendah, dalam lingkungan milikelvin (lebih sejuk daripada ruang angkasa). Ini adalah satu lagi proses, selain daripada sistem tanpa kriogen, yang memerlukan pam vakum untuk mengitar semula dan memampatkan helium-3 yang telah menguap sebelum mencairkannya semula dengan helium-4, serta menyediakan penebat vakum dalam dan luar.

Pam ion sputter sputter ion pump dan TSP perlu beroperasi pada tekanan di bawah sekitar 5E^-4 mbar (bergantung kepada jenis elemen) kerana tenaga elektrik yang diperlukan untuk mengionkan banyak zarah pada tekanan yang lebih tinggi akan terlalu besar untuk bekalan kuasa. Oleh itu, pam kasar yang mencukupi oleh pam pra-vakum dan pam turbomolekul adalah penting. 

Pam akar pelbagai peringkat ECODRY plus tanpa minyak oleh Leybold menunjukkan getaran dan bunyi yang sangat rendah, tanpa perlu diselenggara selama beberapa tahun dalam aplikasi bersih. Menggabungkan ini dengan pam turbomolekul bergetaran rendah yang mempunyai galas yang diangkat secara magnet (serta belos yang menyerap getaran untuk meningkatkan kestabilan) menjadikan persediaan yang sempurna untuk sistem yang bersih dan bebas getaran, serta mengurangkan keperluan untuk mengasingkan sistem UHV daripada sistem pengeringan yang berasingan.

Pada tahap vakum yang diperlukan untuk perangkap ion, hidrogen adalah gas residu utama dan memainkan peranan jahat dalam mengekalkan UHV kerana ia muncul dari bahagian dalaman komponen logam. Oleh itu, prosedur pengeringan yang panjang, kadangkala sehingga berminggu-minggu, diperlukan untuk mengeluarkan hidrogen berlebihan dari dalam komponen yang digunakan. Dalam eksperimen, ini boleh menjadi titik kesakitan yang sebenar, terutamanya jika sistem dibuka dan ditutup berulang kali kepada atmosfera. Salah satu cara untuk meningkatkan pemompaan ke keadaan UHV dan meminimumkan kesan kadar desorpsi adalah dengan memperkenalkan pemompaan kriogenik menggunakan plat sejuk yang mempunyai kadar penyerapan yang lebih tinggi. Ini membolehkan pam yang lebih cepat ke UHV dan boleh dicapai dengan kepala sejuk kitaran tertutup Gifford-McMahon, contohnya julat COOLPOWER oleh Leybold, yang mengembangkan dan memampatkan helium untuk mencapai suhu kriogenik.

Helium memainkan peranan berguna yang lain apabila ia datang kepada pengesanan kebocoran dan lokasi mereka. Pemeriksaan kebocoran helium pada sistem UHV adalah kaedah pengesanan kebocoran yang paling maju dan sangat penting untuk memastikan ia akan mengekalkan integriti vakum sepanjang hayatnya. Oleh itu, ion yang terperangkap boleh kekal tidak terganggu oleh apa-apa selain daripada sinar laser atau gelombang mikro. Julat PHOENIX oleh Leybold adalah yang paling inovatif dalam teknologi pengesanan kebocoran, memenuhi dengan ketepatan dan kelajuan keperluan kualiti yang semakin meningkat dalam penyelidikan kuantum hari ini.

Leybold telah menyediakan penyelesaian khusus untuk teknik pemendapan filem nipis selama beberapa dekad, melalui julat UNIVEX. Bahan superkonduktor dengan ketulenan tinggi boleh dibentuk dengan ketepatan ketebalan yang sesuai untuk litar dalam komputer kuantum. Sumber sputter magnetron DC atau RF, senjata e-beam dan/atau deposisi dibantu ion boleh ditentukan bersama dengan pemanasan/pendinginan substrat dan putaran, serta kawalan sistem penuh.

Ada sebarang soalan tentang vakum, pengkomputeran kuantum dan aplikasi unik anda? Klik butang di bawah dan berbual dengan pasukan Leybold.