Komputer kuantum akan dibina seperti LEGO

Komputer kuantum boleh melakukan pengiraan berdasarkan prinsip mekanik kuantum, dan dijangka mengatasi prestasi komputer klasik dalam jenis tugas pengoptimuman dan pemprosesan tertentu.

Walaupun ahli fizik dan jurutera telah menunjukkan pelbagai sistem pengkomputeran kuantum sepanjang dekad yang lalu, penskalaan sistem ini dengan pasti supaya mereka dapat menyelesaikan masalah praktikal sambil membetulkan ralat yang timbul semasa pengiraan setakat ini merupakan satu cabaran.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Memautkan qubit di dalam komputer kuantum masih menjadi masalah.

Membina komputer kuantum sebagai satu peranti bersatu telah terbukti amat sukar. Mesin ini bergantung pada memanipulasi berjuta-juta qubit, unit asas maklumat kuantum, tetapi memasang sejumlah besar ke dalam satu sistem adalah satu cabaran besar.

Sama seperti blok LEGO yang kecil sesuai untuk membentuk reka bentuk yang lebih besar dan lebih kompleks, penyelidik boleh membina modul yang lebih kecil dan berkualiti tinggi dan kemudian menyambungkannya bersama-sama untuk membentuk sistem kuantum yang lengkap.

Penyelidik di Universiti Illinois di Urbana-Champaign baru-baru ini memperkenalkan seni bina kuantum modular baharu yang membolehkan penskalaan pemproses kuantum superkonduktor bertoleransi kesalahan, boleh skala dan boleh dikonfigurasikan semula. Penskalaan toleransi kesalahan adalah penting untuk mengekalkan kesan kuantum dan syarat yang diperlukan untuk melakukan pengiraan kuantum jangka panjang.

Protokol kabel sambungan menghubungkan blok qubit bersama-sama seperti batu bata LEGO.

Sistem yang mereka cadangkan, dibentangkan dalam kertas kerja yang diterbitkan dalam jurnal Nature Electronics , terdiri daripada beberapa modul (iaitu peranti qubit superkonduktor) yang boleh beroperasi secara bebas dan disambungkan ke modul lain melalui interkoneksi dan membentuk rangkaian kuantum yang lebih besar.

Ringkasnya, dengan sambungan ini, setiap qubit dalam sistem hanya perlu "plug and play" seperti kami menambah peranti persisian pada komputer biasa. Kabel interconnect jenis ini juga mempunyai kesan mengurangkan ralat pengiraan sistem kepada kurang daripada 1%.

"Titik permulaan untuk penyelidikan ini ialah pemahaman semasa dalam bidang pengkomputeran kuantum superkonduktor yang kami perlukan untuk membahagikan pemproses kepada berbilang peranti bebas - pendekatan yang kami panggil 'pengkomputeran kuantum modular'," jelas Wolfgang Pfaff, pengarang bersama kajian itu.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ini telah menjadi kepercayaan popular, malah syarikat seperti IBM mengejarnya. Penyelidikan ini boleh merealisasikan sambungan mesra kejuruteraan kepada pendekatan modular.

Pada asasnya, Pfaff dan rakan-rakannya sedang merangka strategi untuk menyambungkan peranti kuantum sambil meminimumkan kemerosotan isyarat atau kehilangan kuasa apabila maklumat kuantum dihantar antara mereka. Tambahan pula, mereka mahu dapat menyambung, memutuskan sambungan dan mengkonfigurasi semula peranti dengan mudah.

"Secara ringkas, kaedah kami melibatkan penggunaan kabel sepaksi superkonduktor berkualiti tinggi yang dipanggil resonator bas," jelas Pfaff.

Mereka menyambungkan qubit kapasitif ke kabel melalui penyambung tersuai, meletakkan kabel sangat dekat (sub-mm ketepatan) ke qubit dan kemudian berbilang qubit jika ia disambungkan ke kabel yang sama.

Pendekatan baharu penyelidik untuk mencipta rangkaian kuantum modular mempunyai kelebihan yang ketara berbanding pendekatan sebelumnya untuk menskalakan sistem kuantum.

Dalam ujian awal, mereka mendapati kaedah ini membenarkan mereka menyambung peranti kuantum berasaskan superkonduktor dengan selamat dan memutuskan sambungannya kemudian tanpa merosakkannya, tanpa menyebabkan kehilangan isyarat yang ketara dalam gerbang kuantum.

"Dengan pendekatan kami, saya fikir kami mempunyai peluang untuk membina sistem kuantum yang boleh dikonfigurasikan semula dari awal, dengan pilihan untuk, sebagai contoh, 'memasang' lebih banyak modul pemproses ke dalam rangkaian peranti kuantum dari semasa ke semasa," tambah Pfaff.

"Kami sedang mengusahakan reka bentuk untuk melihat sama ada kami boleh meningkatkan bilangan elemen yang disambungkan, menjadikan rangkaian kami lebih besar. Kami juga sedang melihat cara untuk mengimbangi kerugian dalam sistem dengan lebih baik dan menjadikan seni bina serasi dengan pembetulan ralat kuantum."