Квантовые компьютеры будут построены как LEGO

Квантовые компьютеры могут выполнять вычисления на основе принципов квантовой механики и, как ожидается, превзойдут классические компьютеры в определенных типах задач оптимизации и обработки.

Хотя за последние десятилетия физики и инженеры продемонстрировали различные квантовые вычислительные системы, надежное масштабирование этих систем таким образом, чтобы они могли решать практические задачи и одновременно исправлять ошибки, возникающие в ходе вычислений, до сих пор оставалось сложной задачей.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Объединение кубитов внутри квантовых компьютеров остается проблемой.

Создание квантового компьютера как единого, унифицированного устройства оказалось чрезвычайно сложной задачей. Эти машины оперируют миллионами кубитов, основных единиц квантовой информации, но сборка такого количества в единую систему — непростая задача.

Подобно тому, как небольшие блоки LEGO соединяются вместе, образуя более крупные и сложные конструкции, исследователи могут создавать меньшие, но более качественные модули, а затем соединять их вместе, формируя законченную квантовую систему.

Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне недавно представили новую модульную квантовую архитектуру, которая обеспечивает отказоустойчивое, масштабируемое и реконфигурируемое масштабирование сверхпроводящих квантовых процессоров. Отказоустойчивое масштабирование необходимо для поддержания квантовых эффектов и условий, необходимых для выполнения длительных квантовых вычислений.

Протокол соединительного кабеля связывает блоки кубитов между собой подобно кирпичикам LEGO.

Предлагаемая ими система, представленная в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics , состоит из нескольких модулей (т. е. сверхпроводящих кубитных устройств), которые могут работать независимо и соединяются с другими модулями посредством межсоединений, образуя более крупную квантовую сеть.

Проще говоря, благодаря этим соединениям каждый кубит в системе будет подключаться по принципу «plug and play» (подключи и работай), подобно тому, как мы подключаем периферийные устройства к обычному компьютеру. Этот тип соединительного кабеля также снижает погрешность вычислений системы до менее чем 1%.

«Отправной точкой этого исследования стало существующее в области сверхпроводящих квантовых вычислений понимание того, что нам потребуется разделить процессор на несколько независимых устройств — подход, который мы называем «модульными квантовыми вычислениями»», — описывает Вольфганг Пфафф, соавтор исследования.

В последние годы это мнение стало популярным, и даже такие компании, как IBM, стремятся к нему. Это исследование может обеспечить удобное для инженеров сочетание модульного подхода.

По сути, Пфафф и его коллеги разрабатывают стратегию соединения квантовых устройств, минимизируя при этом ухудшение качества сигнала и потерю мощности при передаче квантовой информации между ними. Более того, они хотят иметь возможность легко подключать, отключать и перенастраивать устройства.

«Проще говоря, наш метод предполагает использование высококачественного сверхпроводящего коаксиального кабеля, называемого шинным резонатором», — объясняет Пфафф.

Они подключают емкостный кубит к кабелю через специальный разъем, располагая кабель очень близко (с точностью до миллиметра) к кубиту, а затем к нескольким кубитам, если они подключены к одному и тому же кабелю.

Новый подход исследователей к созданию модульных квантовых сетей имеет существенные преимущества по сравнению с предыдущими подходами к масштабированию квантовых систем.

В ходе первоначальных испытаний они обнаружили, что этот метод позволяет им надежно подключать квантовые устройства на основе сверхпроводников и впоследствии отключать их, не повреждая их и не вызывая значительной потери сигнала в квантовых вентилях.

«Я думаю, что благодаря нашему подходу у нас есть возможность создавать реконфигурируемые квантовые системы с нуля, с возможностью, например, со временем «подключать» больше процессорных модулей к сети квантовых устройств», — добавил Пфафф.

«Сейчас мы работаем над проектом, чтобы понять, сможем ли мы увеличить количество подключённых элементов, увеличив тем самым размер нашей сети. Мы также ищем способы лучше компенсировать потери в системе и сделать архитектуру совместимой с квантовой коррекцией ошибок».