สุญญากาศช่วยให้อนาคตของควอนตัมคอมพิวเตอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร 28 กันยายน 2020

5 MIN READ

ปัจจุบันศตวรรษที่ 21 เรียกว่ายุคควอนตัม ไม่ว่าจะเป็นการสร้างแบบจําลองทางการเงิน การรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ หรือปัญญาประดิษฐ์ ประโยชน์ของควอนตัมคอมพิวเตอร์ก็ตระหนักถึงอยู่แล้ว

คิวบิตในคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคนิคแบบคลาสสิกได้อย่างมากโดยการรวมสถานะ 1 และ 0 เข้าด้วยกัน แทนที่จะมีอยู่เป็นสถานะหนึ่งหรืออีกสถานะหนึ่ง ทําให้สามารถคํานวณได้ด้วยความเร็วที่น่าทึ่ง

ซึ่งทําได้โดยการใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมที่แปลกของวัตถุในระดับอะตอม นั่นคือการซ้อนทับและการเกี่ยวพันกัน ไม่น่าแปลกใจเลยที่ฮาร์ดแวร์ที่ใช้มีความเปราะบางมากและเสี่ยงต่อการรบกวน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องท้าทายในการเตรียมและควบคุมสถานะควอนตัมที่แม่นยํา ส่วนประกอบบางส่วนต้องถูกทําให้เย็นลงจนใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ในขณะที่ส่วนประกอบอื่นๆ ต้องจัดเก็บในสุญญากาศระดับสูงพิเศษ (UHV)

ปี 2020 เป็นปีที่ท้าทายมากสําหรับส่วนใหญ่ แต่ก็มีผลกระทบเล็กน้อยสําหรับนักวิจัยควอนตัมจํานวนมากที่สามารถใช้ประโยชน์จาก "เมืองผี" ของห้องปฏิบัติการในมหาวิทยาลัย ดังนั้นจึงไม่มีเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน ซึ่งเป็นสิ่งที่ควบิตจําเป็นต้องหลีกเลี่ยงความไม่สอดคล้องกัน (การสูญเสียพฤติกรรมควอนตัมต่อสิ่งแวดล้อม) ปฏิกิริยาใดๆ ระหว่างคิวบิตและสภาพแวดล้อมของคิวบิตอาจทําให้คิวบิตหลุดออกจากสถานะซ้อนทับหรือพันกัน ดังนั้น ความสามารถในการสร้างและรักษา UHV ที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสําคัญ (เพื่อให้แน่ใจถึงความปลอดภัยของทีมของคุณและประสิทธิภาพของกระบวนการของคุณ อ่านสิ่งที่คุณจําเป็นต้องรู้เกี่ยวกับการทํางานภายใต้ HV และ UHV)

การดักจับไอออน

การซ้อนทับคือความสามารถของอะตอมหรือไอออนที่จะอยู่ในสถานะหลายสถานะพร้อมกันและการเกี่ยวพันเป็นการเชื่อมต่อร่วมกันที่ไม่ซ้ํากันระหว่างควินบิต 2 ตัว มีหลายวิธีที่จะทําให้เกิดการเกี่ยวพันกัน รวมถึงการนําอนุภาคสองชิ้นเข้าใกล้กัน ดําเนินการเพื่อเกี่ยวพันกัน และเคลื่อนออกจากกันอีกครั้ง ไม่ว่าจะอยู่ห่างกันมากแค่ไหน ก็จะให้ผลลัพธ์เดียวกันเสมอ การทํางานนี้สามารถทําได้โดยการทําให้อะตอมหรือไอออนเย็นลงจนใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ และจัดการด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยําภายในห้อง UHV

ปริมาตรภายในของห้อง UHV ดังกล่าวอาจมีขนาดเล็กเพียงไม่กี่ลูกบาศก์เซนติเมตร แต่ไม่ว่าจะมีขนาดเท่าใดก็ตาม เทคโนโลยีสุญญากาศก็มีอยู่เพื่อให้บรรลุสภาวะที่จําเป็น ปั๊มสปัตเตอร์ไอออน เช่น ซีรี่ส์ TiTan "ขนาดเล็ก" ของ Gamma Vacuum เป็นวิธีการที่ยอมรับในการผลิตและรักษาสภาวะ UHV ด้วยความเร็วในการปั๊มตั้งแต่ขนาดเล็ก 0.2 ลิตร/วินาทีถึง 75 ลิตร/วินาที ด้วยปั๊มดังกล่าวและปั๊มระเหิดไทเทเนียม (TSP) ที่เลือกใช้ร่วมกับการปั๊มแบบบูสเตอร์ สามารถบรรลุระดับสุญญากาศที่หายากกว่าพื้นที่ภายนอกได้

ปั๊มไอออน TiTan

วงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์

เมื่อพูดถึงการปรับขยายสเกลของโซลูชัน ปรากฏการณ์ของตัวดักไอออนสําหรับการจัดเก็บข้อมูลควอนตัมไม่ได้รับการพิสูจน์มากพอๆ กับการผลิตควบิตเป็นส่วนหนึ่งของวงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์ โดยทั่วไปจะใช้ไนโอเบียมและอะลูมิเนียมเป็นตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนําตามลําดับ การผลิตวงจรฟิล์มบางแบบซูเปอร์คอนดักเตอร์เหล่านี้สามารถทําได้ด้วยเทคนิคสุญญากาศเท่านั้น เช่น การสะสมชั้นอะตอม การสะสมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ และการสะสมด้วยไอทางกายภาพผ่านการสปัตเตอร์แมกนีตรอนหรือการระเหยด้วยลําแสงอิเล็กตรอน

อุปกรณ์ซูเปอร์คอนดักเตอร์มีคุณสมบัติที่ไม่เหมือนใครในด้านการนําไฟฟ้าที่อุณหภูมิหนึ่ง ตู้เย็นแบบเจือจางเป็นวิธีการที่ยอมรับในปัจจุบันในการรักษาอุณหภูมิที่ต่ํามากในลําดับมิลลิเคลวิน (แม้จะเย็นกว่าพื้นที่ภายนอก) นอกเหนือจากระบบที่ปราศจากสารแช่เย็นแล้ว กระบวนการนี้ยังเป็นอีกหนึ่งกระบวนการที่ต้องใช้ปั๊มสุญญากาศเพื่อรีไซเคิลและบีบอัดฮีเลียม-3 ที่ระเหยแล้วก่อนเจือจางอีกครั้งด้วยฮีเลียม-4 รวมถึงให้ฉนวนสุญญากาศภายในและภายนอก

เทคนิคสุญญากาศสมัยใหม่

ปั๊มไอออนสปัตเตอร์และ TSP จําเป็นต้องทํางานที่แรงดันต่ํากว่าประมาณ 5E ^-4 mbar (ขึ้นอยู่กับประเภทขององค์ประกอบ) เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าที่จําเป็นในการสร้างไอออนของอนุภาคจํานวนมากที่แรงดันสูงกว่าจะมีขนาดใหญ่เกินไปสําหรับแหล่งจ่ายไฟ ดังนั้น การปั๊มแบบหยาบที่เพียงพอด้วยปั๊มสุญญากาศปลายทางและปั๊มเทอร์โบโมเลกุลจึงเป็นสิ่งจําเป็น

ปั๊ม Roots แบบไร้น้ํามัน ECODRY plus หลายจังหวะของ Leybold แสดงให้เห็นถึงการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนต่ํามาก โดยไม่จําเป็นต้องบํารุงรักษาเป็นเวลาหลายปีในการใช้งานที่สะอาด การจับคู่ปั๊มนี้กับปั๊มเทอร์โบโมเลกุลที่มีการสั่นสะเทือนต่ําพร้อมแบริ่งแขวนลอยแม่เหล็ก (รวมถึงท่อพับดูดซับการสั่นสะเทือนเพื่อเพิ่มความเสถียรเพิ่มเติม) ทําให้การตั้งค่าที่สมบูรณ์แบบสําหรับระบบที่สะอาดและปราศจากการสั่นสะเทือน และลดความจําเป็นในการแยกระบบ UHV ออกจากระบบขั้นต้นแยกต่างหาก

ECODRY plus

ในระดับสุญญากาศที่จําเป็นสําหรับตัวดักไอออน ไฮโดรเจนเป็นก๊าซตกค้างหลักและเป็นอันตรายในการรักษา UHV เนื่องจากปรากฏตัวเองจากภายในส่วนประกอบโลหะ ดังนั้น จึงจําเป็นต้องใช้ขั้นตอนการอบแห้งที่ยาวนาน ซึ่งบางครั้งอาจนานถึงสัปดาห์ เพื่อขจัดไฮโดรเจนส่วนเกินออกจากภายในส่วนประกอบที่ใช้ ในการทดลองนี้อาจเป็นปัญหาที่แท้จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากระบบเปิดและปิดกับบรรยากาศซ้ําๆ วิธีหนึ่งในการปรับปรุงการปั๊มลงสู่สภาวะ UHV และลดผลกระทบของอัตราการดูดซับให้เหลือน้อยที่สุดคือการแนะนําการปั๊มแบบเย็นโดยใช้จานเย็นที่มีอัตราการดูดซับสูงกว่า ซึ่งช่วยให้ปั๊มไปยัง UHV ได้เร็วขึ้น และสามารถทําได้ด้วยหัวเย็นแบบวงจรปิดของ Gifford-McMahon เช่น กลุ่มผลิตภัณฑ์ COOLPOWER ของ Leybold ซึ่งขยายและบีบอัดฮีเลียมเพื่อให้ได้อุณหภูมิแบบเย็น

COOLPOWER 140 i

ฮีเลียมมีบทบาทสําคัญอีกอย่างหนึ่งในการเปิดเผยรอยรั่วและตําแหน่งของรอยรั่ว การตรวจสอบการรั่วไหลของฮีเลียมในระบบ UHV เป็นวิธีการตรวจจับการรั่วไหลที่ทันสมัยที่สุด และมีความสําคัญอย่างยิ่งเพื่อให้แน่ใจว่าจะรักษาความสมบูรณ์ของสุญญากาศตลอดอายุการใช้งาน ดังนั้น ไอออนที่ตกค้างจึงไม่ถูกรบกวนจากสิ่งอื่นใดนอกเหนือจากลําแสงเลเซอร์หรือไมโครเวฟ กลุ่มผลิตภัณฑ์ PHOENIX จาก Leybold เป็นเทคโนโลยีการตรวจจับการรั่วไหลที่ทันสมัยที่สุด ซึ่งตอบสนองความต้องการด้านคุณภาพที่เพิ่มขึ้นของงานวิจัยควอนตัมในปัจจุบันด้วยความแม่นยําและความเร็ว

Leybold ได้จัดหาโซลูชันแบบกําหนดเองสําหรับเทคนิคการสะสมฟิล์มบางๆ มานานหลายทศวรรษผ่านกลุ่มผลิตภัณฑ์ UNIVEX วัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถก่อตัวขึ้นได้ในระดับความหนาที่แม่นยํา เหมาะสําหรับวงจรในคอมพิวเตอร์ควอนตัม สามารถระบุแหล่งสปัตเตอร์แมกนีตรอน DC หรือ RF, ปืนอิเล็กตรอนบีม และ/หรือการสะสมด้วยไอออน พร้อมกับการทําความร้อน/การทําความเย็นและการหมุนของซับสเตรต และการควบคุมระบบเต็มรูปแบบ

มีคําถามเกี่ยวกับสุญญากาศ การคํานวณเชิงปริมาณ และการใช้งานที่ไม่เหมือนใครของคุณหรือไม่ คลิกปุ่มด้านล่างและแชทกับทีมงาน Leybold