Komputery kwantowe będą budowane jak klocki LEGO

Komputery kwantowe potrafią wykonywać obliczenia w oparciu o zasady mechaniki kwantowej i oczekuje się, że w niektórych typach zadań optymalizacyjnych i obliczeniowych będą wydajniejsze od komputerów klasycznych.

Chociaż fizycy i inżynierowie na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci zaprezentowali różne systemy obliczeń kwantowych, niezawodne skalowanie tych systemów w taki sposób, aby mogły rozwiązywać praktyczne problemy, a jednocześnie korygować błędy pojawiające się w trakcie obliczeń, dotychczas stanowiło wyzwanie.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Łączenie kubitów wewnątrz komputerów kwantowych nadal stanowi problem.

Zbudowanie komputera kwantowego jako pojedynczego, zunifikowanego urządzenia okazało się niezwykle trudne. Maszyny te opierają się na manipulowaniu milionami kubitów, podstawowych jednostek informacji kwantowej, ale połączenie tak dużej liczby w jeden system stanowi ogromne wyzwanie.

Podobnie jak małe klocki LEGO łączą się ze sobą, tworząc większe i bardziej złożone konstrukcje, naukowcy mogą budować mniejsze moduły o wyższej jakości, a następnie łączyć je ze sobą, tworząc kompletny układ kwantowy.

Naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign zaprezentowali niedawno nową, modułową architekturę kwantową, która umożliwia skalowanie i rekonfigurowalność nadprzewodzących procesorów kwantowych, charakteryzującą się tolerancją błędów. Skalowanie odporne na błędy jest niezbędne do utrzymania efektów kwantowych i warunków niezbędnych do przeprowadzania długoterminowych obliczeń kwantowych.

Protokół połączenia kablowego łączy ze sobą bloki kubitów niczym klocki LEGO.

Proponowany przez nich system, zaprezentowany w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Electronics , składa się z kilku modułów (tj. nadprzewodzących urządzeń kubitowych), które mogą działać niezależnie i są połączone z innymi modułami za pomocą połączeń między nimi, tworząc większą sieć kwantową.

Mówiąc prościej, dzięki tym połączeniom każdy kubit w systemie będzie wymagał jedynie podłączenia „plug and play”, tak jak podłączamy urządzenia peryferyjne do zwykłego komputera. Ten typ kabla połączeniowego pozwala również zmniejszyć błąd obliczeniowy systemu do mniej niż 1%.

„Punktem wyjścia dla tych badań była aktualna wiedza w dziedzinie nadprzewodzących obliczeń kwantowych, zgodnie z którą konieczne będzie podzielenie procesora na kilka niezależnych urządzeń – podejście to nazywamy „modułowymi obliczeniami kwantowymi”” – opisuje Wolfgang Pfaff, współautor badania.

W ostatnich latach przekonanie to stało się popularne i nawet firmy takie jak IBM dążą do jego realizacji. Badania te mogą umożliwić inżynierom przyjazne powiązanie z podejściem modułowym.

Zasadniczo Pfaff i jego współpracownicy opracowują strategię łączenia urządzeń kwantowych, minimalizując jednocześnie degradację sygnału lub utratę mocy podczas przesyłania informacji kwantowej. Co więcej, chcą mieć możliwość łatwego łączenia, rozłączania i rekonfigurowania urządzeń.

„Mówiąc wprost, nasza metoda polega na wykorzystaniu wysokiej jakości nadprzewodzącego kabla koncentrycznego, nazywanego rezonatorem magistrali” – wyjaśnia Pfaff.

Łączą kubit pojemnościowy z kablem za pomocą specjalnego złącza, umieszczając kabel bardzo blisko (z dokładnością poniżej milimetra) kubitu, a następnie wiele kubitów, jeśli są podłączone do tego samego kabla.

Nowe podejście naukowców do tworzenia modułowych sieci kwantowych ma znaczące zalety w porównaniu z poprzednimi podejściami do skalowania systemów kwantowych.

W początkowych testach naukowcy odkryli, że metoda ta pozwala im bezpiecznie łączyć ze sobą urządzenia kwantowe oparte na nadprzewodnikach i rozłączać je później bez ich uszkadzania i nie powodując znaczącej utraty sygnału w bramkach kwantowych.

„Myślę, że dzięki naszemu podejściu mamy szansę na zbudowanie rekonfigurowalnych systemów kwantowych od podstaw, z możliwością np. „podłączania” z czasem większej liczby modułów procesorów do sieci urządzeń kwantowych” – dodał Pfaff.

„Obecnie pracujemy nad projektem, który pozwoli nam sprawdzić, czy możemy zwiększyć liczbę połączonych elementów, powiększając naszą sieć. Badamy również, jak lepiej kompensować straty w systemie i uczynić architekturę kompatybilną z kwantową korekcją błędów”.