Chân không cho phép tương lai của điện toán lượng tử như thế nào Ngày 28 tháng 9 năm 2020

Các qubit trong máy tính lượng tử có thể vượt trội hơn đáng kể so với các kỹ thuật cổ điển bằng cách kết hợp các trạng thái 1 và 0, thay vì tồn tại như một trong hai, cho phép tính toán ở tốc độ đáng kinh ngạc.

Chúng làm điều này bằng cách khai thác hành vi lạ lẫm của vật chất ở cấp độ nguyên tử - cụ thể là sự chồng chéo và rối loạn. Không có gì ngạc nhiên khi phần cứng được sử dụng cực kỳ mỏng manh và dễ bị nhiễu, vì vậy việc chuẩn bị và kiểm soát các trạng thái lượng tử chính xác là một thách thức. Một số thành phần cần được làm mát đến gần mức không tuyệt đối, trong khi những thành phần khác phải được bảo quản trong chân không siêu cao (UHV).

Năm 2020 đã là một năm rất đầy thách thức đối với hầu hết mọi người, nhưng có một bạc nhỏ cho một số nhà nghiên cứu lượng tử đã có thể tận dụng tình trạng "thành phố ma" của các phòng thí nghiệm đại học và do đó không có tiếng ồn và rung động - chính xác những gì qubit cần để tránh sự không đồng nhất (mất hành vi lượng tử đối với môi trường). Bất kỳ sự tương tác nào giữa qubit và môi trường của nó có thể đẩy nó ra khỏi trạng thái chồng chéo hoặc rối. Do đó, khả năng tạo và duy trì UHV phù hợp là rất quan trọng. (để đảm bảo đội ngũ của bạn an toàn và quy trình của bạn hiệu quả, hãy đọc những điều bạn cần biết về làm việc dưới điện áp cao và điện áp cực cao.)

Sự chồng chéo là khả năng của các nguyên tử hoặc ion ở nhiều trạng thái cùng một lúc và sự gắn kết là một kết nối chung duy nhất giữa 2 qubit. Có nhiều cách để tạo ra sự bám vào nhau, bao gồm việc đưa hai hạt lại gần nhau, thực hiện thao tác để bám vào nhau và di chuyển chúng ra xa nhau một lần nữa. Cho dù chúng cách nhau bao xa, chúng sẽ luôn mang lại kết quả giống nhau. Các thao tác có thể được thực hiện bằng cách làm mát các nguyên tử hoặc ion đến gần không tuyệt đối, và thao tác chúng, với laser chính xác trong buồng UHV.

Thể tích bên trong của các buồng UHV như vậy có thể nhỏ đến vài centimet khối, nhưng bất kể kích thước là gì, công nghệ chân không vẫn tồn tại để đạt được các điều kiện cần thiết. Bơm phún xạ ion, ví dụ như dòng TiTan "cấu hình nhỏ" của Gamma Vacuum, là một phương pháp được chấp nhận để tạo ra và duy trì các điều kiện UHV với tốc độ bơm từ 0,2 l/giây đến 75 l/giây. Với các bơm như vậy, và tùy chọn bơm thăng hoa titan (TSP) được sử dụng kết hợp với bơm tăng cường, có thể đạt được mức chân không hiếm hơn không gian bên ngoài.

Khi nói đến việc mở rộng quy mô dung dịch, hiện tượng bẫy ion để lưu trữ thông tin lượng tử không được chứng minh như việc tạo ra qubit như một phần của mạch siêu dẫn, thường sử dụng niobium và nhôm làm tụ điện và cảm ứng tương ứng. Việc sản xuất các mạch màng mỏng siêu dẫn này chỉ có thể đạt được thông qua các kỹ thuật chân không, chẳng hạn như lắng đọng lớp nguyên tử, lắng đọng laser xung và lắng đọng hơi vật lý thông qua phún xạ magnetron hoặc bay hơi tia điện tử.

Các thiết bị siêu dẫn có đặc tính độc đáo là chúng trở nên dẫn điện ở một nhiệt độ nhất định. Tủ lạnh pha loãng là một phương pháp được chấp nhận ngày nay để duy trì nhiệt độ cực thấp, theo thứ tự millikelvin (thậm chí lạnh hơn không gian bên ngoài.) Đây là một quy trình khác, bên cạnh các hệ thống không có chất đông lạnh, yêu cầu bơm chân không tái chế và nén heli-3 bay hơi trước khi pha loãng lại bằng heli-4, cũng như cung cấp cách ly chân không bên trong và bên ngoài.

Bơm ion phún xạ và TSP cần được vận hành ở áp suất dưới khoảng 5E ^-4 mbar (tùy thuộc vào loại nguyên tố) vì năng lượng điện cần thiết để ion hóa nhiều hạt ở áp suất cao hơn sẽ quá lớn cho nguồn điện. Do đó, việc bơm thô đầy đủ bằng bơm chân không sơ bộ và bơm phân tử turbo là điều cần thiết. 

Bơm roots nhiều tầng không dầu ECODRY plus của Leybold thể hiện độ rung và tiếng ồn cực thấp, không cần bảo trì trong nhiều năm trên các ứng dụng sạch. Kết hợp điều này với một bơm turbo phân tử rung thấp với ổ trục treo từ tính (cũng như ống thổi hấp thụ rung để tăng thêm độ ổn định) giúp thiết lập hoàn hảo cho một hệ thống sạch sẽ, không rung và giảm nhu cầu cách ly hệ thống UHV khỏi hệ thống thô riêng biệt.

Ở mức chân không cần thiết cho các loại bẫy ion như vậy, hydro là khí dư chính và đóng vai trò độc hại trong việc duy trì UHV khi nó được tiết lộ từ các bộ phận bên trong của các thành phần kim loại. Do đó, các quy trình nung cháy kéo dài, đôi khi lên đến vài tuần, là cần thiết để loại bỏ hydro dư thừa ra khỏi bên trong các bộ phận được sử dụng. Trong thí nghiệm, điều này có thể là một vấn đề thực sự, đặc biệt là nếu hệ thống liên tục mở và đóng với không khí. Một cách để cải thiện việc bơm xuống các điều kiện UHV và giảm thiểu tác động của tốc độ khử hấp thụ là giới thiệu bơm lạnh bằng cách sử dụng các tấm lạnh có tốc độ hấp thụ cao hơn. Điều này cho phép bơm nhanh hơn đến UHV và có thể đạt được với các đầu lạnh chu trình kín Gifford-McMahon, ví dụ như dòng COOLPOWER của Leybold, giúp mở rộng và nén heli để đạt được nhiệt độ đông lạnh.

Helium đóng một vai trò hữu ích khác khi nói đến việc phát hiện rò rỉ và vị trí của chúng. Kiểm tra rò rỉ khí heli của hệ thống UHV là phương pháp phát hiện rò rỉ tiên tiến nhất và rất quan trọng để đảm bảo chúng duy trì tính toàn vẹn của chân không trong suốt vòng đời của chúng. Do đó, một ion bị bẫy có thể không bị ảnh hưởng bởi bất cứ thứ gì khác ngoài tia laser hoặc tia vi sóng. Dòng sản phẩm PHOENIX của Leybold là sản phẩm tiên tiến nhất trong công nghệ phát hiện rò rỉ, đáp ứng với độ chính xác và tốc độ các yêu cầu chất lượng ngày càng tăng của nghiên cứu lượng tử ngày nay.

Leybold đã cung cấp các giải pháp tùy chỉnh cho các kỹ thuật đắp lớp mỏng trong nhiều thập kỷ qua dòng sản phẩm UNIVEX. Vật liệu siêu dẫn có độ tinh khiết cao có thể được tạo thành với độ dày chính xác, phù hợp với các mạch điện trong máy tính lượng tử. Có thể xác định nguồn phún xạ điện từ DC hoặc RF, súng chùm tia điện tử và/hoặc lắng đọng hỗ trợ ion cùng với làm nóng/làm mát và xoay chất nền, và kiểm soát toàn bộ hệ thống.

Bạn có câu hỏi nào về chân không, điện toán lượng tử và các ứng dụng độc đáo của mình không? Nhấp vào nút bên dưới và trò chuyện với nhóm Leybold.