Οι κβαντικοί υπολογιστές θα κατασκευάζονται όπως τα LEGO

Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να εκτελούν υπολογισμούς με βάση τις αρχές της κβαντομηχανικής και αναμένεται να ξεπεράσουν τους κλασικούς υπολογιστές σε ορισμένους τύπους εργασιών βελτιστοποίησης και επεξεργασίας.

Παρόλο που οι φυσικοί και οι μηχανικοί έχουν επιδείξει διάφορα συστήματα κβαντικών υπολογιστών τις τελευταίες δεκαετίες, η αξιόπιστη κλιμάκωση αυτών των συστημάτων, ώστε να μπορούν να λύσουν πρακτικά προβλήματα, διορθώνοντας παράλληλα τα σφάλματα που προκύπτουν κατά τον υπολογισμό, αποτελεί μέχρι στιγμής μια πρόκληση.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Η σύνδεση qubits μέσα σε κβαντικούς υπολογιστές παραμένει ένα πρόβλημα.

Η κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή ως μίας ενιαίας, ενοποιημένης συσκευής έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολη. Αυτές οι μηχανές βασίζονται στον χειρισμό εκατομμυρίων qubit, των βασικών μονάδων κβαντικής πληροφορίας, αλλά η συναρμολόγηση ενός τόσο μεγάλου αριθμού σε ένα σύστημα αποτελεί σημαντική πρόκληση.

Ακριβώς όπως τα μικρά τουβλάκια LEGO ταιριάζουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν μεγαλύτερα, πιο σύνθετα σχέδια, οι ερευνητές μπορούν να κατασκευάσουν μικρότερες, υψηλότερης ποιότητας μονάδες και στη συνέχεια να τις συνδέσουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα πλήρες κβαντικό σύστημα.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα-Σαμπέιν παρουσίασαν πρόσφατα μια νέα αρθρωτή κβαντική αρχιτεκτονική που επιτρέπει την ανεκτική σε σφάλματα, κλιμακούμενη και αναδιαμορφώσιμη κλιμάκωση υπεραγώγιμων κβαντικών επεξεργαστών. Η ανεκτική σε σφάλματα κλιμάκωση είναι απαραίτητη για τη διατήρηση των κβαντικών φαινομένων και των απαραίτητων συνθηκών για την εκτέλεση μακροπρόθεσμων κβαντικών υπολογισμών.

Το πρωτόκολλο καλωδίου διασύνδεσης συνδέει τα μπλοκ qubit μεταξύ τους όπως τα τουβλάκια LEGO.

Το σύστημα που προτείνουν, το οποίο παρουσιάζεται σε μια δημοσίευση στο περιοδικό Nature Electronics , αποτελείται από διάφορες ενότητες (δηλαδή υπεραγώγιμες συσκευές qubit) που μπορούν να λειτουργούν ανεξάρτητα και συνδέονται με άλλες ενότητες μέσω διασυνδέσεων και σχηματίζουν ένα μεγαλύτερο κβαντικό δίκτυο.

Με απλά λόγια, με αυτές τις συνδέσεις, κάθε qubit στο σύστημα θα χρειάζεται μόνο να είναι "plug and play" όπως προσθέτουμε περιφερειακές συσκευές σε έναν κανονικό υπολογιστή. Αυτός ο τύπος καλωδίου διασύνδεσης έχει επίσης ως αποτέλεσμα τη μείωση του σφάλματος υπολογισμού του συστήματος σε λιγότερο από 1%.

«Το σημείο εκκίνησης για αυτήν την έρευνα ήταν η τρέχουσα αντίληψη στον τομέα της υπεραγώγιμης κβαντικής υπολογιστικής ότι θα χρειαζόταν να χωρίσουμε τον επεξεργαστή σε πολλαπλές ανεξάρτητες συσκευές - μια προσέγγιση που ονομάζουμε «μοριακή κβαντική υπολογιστική»», περιγράφει ο Wolfgang Pfaff, συν-συγγραφέας της μελέτης.

Τα τελευταία χρόνια, αυτή η πεποίθηση έχει γίνει δημοφιλής και ακόμη και εταιρείες όπως η IBM την επιδιώκουν. Αυτή η έρευνα θα μπορούσε να υλοποιήσει μια φιλική προς τη μηχανική σύνδεση με την αρθρωτή προσέγγιση.

Ουσιαστικά, ο Pfaff και οι συνάδελφοί του σχεδιάζουν μια στρατηγική για τη σύνδεση κβαντικών συσκευών, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την υποβάθμιση του σήματος ή την απώλεια ισχύος καθώς μεταδίδονται κβαντικές πληροφορίες μεταξύ τους. Επιπλέον, θέλουν να είναι σε θέση να συνδέουν, να αποσυνδέουν και να αναδιαμορφώνουν εύκολα τις συσκευές.

«Με απλά λόγια, η μέθοδός μας περιλαμβάνει τη χρήση ενός υψηλής ποιότητας υπεραγώγιμου ομοαξονικού καλωδίου που ονομάζεται συντονιστής διαύλου», εξηγεί ο Pfaff.

Συνδέουν ένα χωρητικό qubit σε ένα καλώδιο μέσω μιας προσαρμοσμένης υποδοχής, τοποθετώντας το καλώδιο πολύ κοντά (ακρίβεια υπο-mm) στο qubit και στη συνέχεια σε πολλά qubits εάν είναι συνδεδεμένα στο ίδιο καλώδιο.

Η νέα προσέγγιση των ερευνητών στη δημιουργία αρθρωτών κβαντικών δικτύων έχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με προηγούμενες προσεγγίσεις στην κλιμάκωση κβαντικών συστημάτων.

Στις αρχικές δοκιμές, διαπίστωσαν ότι αυτή η μέθοδος τους επέτρεπε να συνδέουν με ασφάλεια κβαντικές συσκευές που βασίζονται σε υπεραγωγούς και να τις αποσυνδέουν αργότερα χωρίς να τις καταστρέφουν, χωρίς να προκαλούν σημαντική απώλεια σήματος στις κβαντικές πύλες.

«Με την προσέγγισή μας, νομίζω ότι έχουμε την ευκαιρία να κατασκευάσουμε αναδιαμορφώσιμα κβαντικά συστήματα από την αρχή, με την επιλογή, για παράδειγμα, να «συνδέσουμε» περισσότερες μονάδες επεξεργαστών στο δίκτυο των κβαντικών συσκευών με την πάροδο του χρόνου», πρόσθεσε ο Pfaff.

«Εργαζόμαστε αυτήν τη στιγμή πάνω σε ένα σχέδιο για να δούμε αν μπορούμε να αυξήσουμε τον αριθμό των συνδεδεμένων στοιχείων, καθιστώντας το δίκτυό μας μεγαλύτερο. Εξετάζουμε επίσης πώς να αντισταθμίσουμε καλύτερα τις απώλειες στο σύστημα και να κάνουμε την αρχιτεκτονική συμβατή με τη διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων».