A kvantumszámítógépeket úgy fogják építeni, mint a LEGO-t

A kvantumszámítógépek a kvantummechanika elvein alapuló számításokat tudnak végezni, és várhatóan felülmúlják a klasszikus számítógépeket bizonyos típusú optimalizálási és feldolgozási feladatokban.

Bár a fizikusok és mérnökök az elmúlt évtizedekben számos kvantumszámítástechnikai rendszert mutattak be, eddig kihívást jelentett ezen rendszerek megbízható skálázása, hogy azok gyakorlati problémákat oldhassanak meg, miközben kijavítják a számítás során felmerülő hibákat.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — A qubitek összekapcsolása a kvantumszámítógépeken belül továbbra is problémát jelent.

Rendkívül nehéznek bizonyult egyetlen, egységes eszközként kvantumszámítógépet építeni. Ezek a gépek több millió qubit, a kvantuminformáció alapvető egységeinek manipulálására támaszkodnak, de ekkora szám egyetlen rendszerbe való összeállítása komoly kihívást jelent.

Ahogy a kis LEGO kockák összeilleszthetők nagyobb, összetettebb terveket alkotva, a kutatók kisebb, jobb minőségű modulokat építhetnek, majd összekapcsolhatják őket egy teljes kvantumrendszer létrehozásához.

Az Illinois-i Egyetem, Urbana-Champaign kutatói nemrégiben bemutattak egy új moduláris kvantumarchitektúrát, amely lehetővé teszi a szupravezető kvantumprocesszorok hibatűrő, skálázható és újrakonfigurálható skálázását. A hibatűrő skálázás elengedhetetlen a kvantumhatások fenntartásához és a hosszú távú kvantumszámítások végrehajtásához szükséges feltételekhez.

Az összekötő kábel protokollja a qubit blokkokat LEGO kockákhoz hasonlóan köti össze.

A Nature Electronics folyóiratban megjelent cikkükben bemutatott, általuk javasolt rendszer több modulból (azaz szupravezető qubit eszközökből) áll, amelyek egymástól függetlenül is működhetnek, és összeköttetéseken keresztül más modulokhoz csatlakoznak, így egy nagyobb kvantumhálózatot alkotva.

Egyszerűen fogalmazva, ezekkel a csatlakozásokkal a rendszerben minden egyes qubitnek csak „plug and play”-nek kell lennie, ahogyan a perifériákat egy hagyományos számítógéphez adjuk. Az ilyen típusú összekötő kábelnek az is hatása van, hogy a rendszer számítási hibáját 1% alá csökkenti.

„A kutatás kiindulópontja a szupravezető kvantum-számítástechnika területének jelenlegi ismerete volt, miszerint a processzort több független eszközre kellene osztanunk – ezt a megközelítést mi „moduláris kvantum-számítástechnikának” nevezzük” – írja Wolfgang Pfaff, a tanulmány társszerzője.

Az utóbbi években ez népszerű hiedelemmel bírt, és olyan cégek is, mint az IBM, folytatják ezt a törekvést. Ez a kutatás mérnökbarát kapcsolatot teremthet a moduláris megközelítéssel.

Pfaff és kollégái lényegében egy olyan stratégiát dolgoznak ki, amely lehetővé teszi a kvantumeszközök összekapcsolását, miközben minimalizálják a jel romlását vagy a teljesítményveszteséget, miközben a kvantuminformációkat továbbítják közöttük. Továbbá azt is szeretnék, hogy az eszközök könnyen csatlakoztathatók, leválaszthatók és újrakonfigurálhatók legyenek.

„Egyszerűen fogalmazva, a módszerünk egy kiváló minőségű szupravezető koaxiális kábel, az úgynevezett buszrezonátor használatát foglalja magában” – magyarázza Pfaff.

Egy kapacitív qubitet csatlakoztatnak egy kábelhez egy egyedi csatlakozón keresztül, a kábelt nagyon közel (milliméternél kisebb pontossággal) helyezve a qubithez, majd több qubitet is, ha ugyanahhoz a kábelhez csatlakoznak.

A kutatók új megközelítése a moduláris kvantumhálózatok létrehozásában jelentős előnyökkel rendelkezik a kvantumrendszerek skálázásának korábbi megközelítéseivel szemben.

A kezdeti tesztek során azt találták, hogy ez a módszer lehetővé teszi számukra, hogy szupravezető alapú kvantumeszközöket biztonságosan összekapcsoljanak, majd később leválasztsák őket anélkül, hogy károsodnának, anélkül, hogy jelentős jelveszteséget okoznának a kvantumkapukban.

„Úgy gondolom, hogy a mi megközelítésünkkel lehetőségünk van arra, hogy a nulláról újrakonfigurálható kvantumrendszereket építsünk, azzal a lehetőséggel, hogy például idővel több processzormodult „csatlakoztassunk” a kvantumeszközök hálózatához” – tette hozzá Pfaff.

„Jelenleg egy olyan terven dolgozunk, amely kideríti, hogy növelhetjük-e a csatlakoztatott elemek számát, ezáltal nagyobbá téve a hálózatunkat. Azt is vizsgáljuk, hogyan lehetne jobban kompenzálni a rendszer veszteségeit, és hogyan tehetjük az architektúrát kompatibilissé a kvantumhiba-korrekcióval.”