Kvantové počítače se budou stavět jako LEGO

Kvantové počítače dokáží provádět výpočty založené na principech kvantové mechaniky a očekává se, že v určitých typech optimalizačních a zpracovatelských úloh překonají klasické počítače.

Přestože fyzici a inženýři v posledních desetiletích demonstrovali různé kvantové výpočetní systémy, spolehlivé škálování těchto systémů tak, aby mohly řešit praktické problémy a zároveň opravovat chyby vznikající během výpočtů, bylo dosud výzvou.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Propojování qubitů uvnitř kvantových počítačů zůstává problémem.

Sestavení kvantového počítače jako jediného, unifikovaného zařízení se ukázalo jako extrémně obtížné. Tyto stroje se spoléhají na manipulaci s miliony qubitů, základními jednotkami kvantové informace, ale sestavení tak velkého počtu do jednoho systému je velkou výzvou.

Stejně jako malé LEGO kostky do sebe zapadají a vytvářejí větší a složitější konstrukce, vědci mohou stavět menší, kvalitnější moduly a poté je propojit a vytvořit tak kompletní kvantový systém.

Výzkumníci z University of Illinois v Urbana-Champaign nedávno představili novou modulární kvantovou architekturu, která umožňuje škálovatelné a rekonfigurovatelné škálování supravodivých kvantových procesorů, které je odolné vůči chybám. Škálování odolné vůči chybám je nezbytné pro udržení kvantových efektů a podmínek nezbytných pro provádění dlouhodobých kvantových výpočtů.

Protokol propojovacího kabelu spojuje qubitové bloky dohromady jako LEGO kostky.

Systém, který navrhují a který byl prezentován v článku publikovaném v časopise Nature Electronics , se skládá z několika modulů (tj. supravodivých qubitových zařízení), které mohou fungovat nezávisle a jsou propojeny s dalšími moduly prostřednictvím propojení a tvoří tak větší kvantovou síť.

Jednoduše řečeno, s těmito propojeními bude každý qubit v systému stačit pouze k „plug and play“, podobně jako přidáváme periferní zařízení do běžného počítače. Tento typ propojovacího kabelu má také za následek snížení chyby výpočtu systému na méně než 1 %.

„Výchozím bodem pro tento výzkum bylo současné chápání v oblasti supravodivých kvantových výpočtů, že bychom museli rozdělit procesor na několik nezávislých zařízení – tento přístup nazýváme ‚modulární kvantové výpočty‘,“ popisuje Wolfgang Pfaff, spoluautor studie.

V posledních letech se tato myšlenka stala všeobecně rozšířenou a dokonce i společnosti jako IBM se o ni zajímají. Tento výzkum by mohl navázat na inženýrsky přívětivé propojení s modulárním přístupem.

Pfaff a jeho kolegové v podstatě navrhují strategii pro propojení kvantových zařízení a zároveň minimalizují degradaci signálu nebo ztrátu výkonu při přenosu kvantové informace mezi nimi. Dále chtějí být schopni zařízení snadno připojovat, odpojovat a překonfigurovávat.

„Jednoduše řečeno, naše metoda zahrnuje použití vysoce kvalitního supravodivého koaxiálního kabelu zvaného sběrnicový rezonátor,“ vysvětluje Pfaff.

Připojují kapacitní qubit ke kabelu pomocí vlastního konektoru, přičemž kabel umisťují velmi blízko (s přesností na milimetr) ke qubitu a poté k více qubitům, pokud jsou připojeny ke stejnému kabelu.

Nový přístup výzkumníků k vytváření modulárních kvantových sítí má oproti předchozím přístupům ke škálování kvantových systémů významné výhody.

V počátečních testech zjistili, že tato metoda jim umožňuje bezpečně propojit kvantová zařízení založená na supravodičích a později je odpojit bez jejich poškození, aniž by způsobila významnou ztrátu signálu v kvantových bránách.

„Myslím, že s naším přístupem máme příležitost vybudovat rekonfigurovatelné kvantové systémy od nuly, s možností například v průběhu času ‚zapojit‘ do sítě kvantových zařízení další procesorové moduly,“ dodal Pfaff.

„V současné době pracujeme na návrhu, abychom zjistili, zda můžeme zvýšit počet připojených prvků a zvětšit tak naši síť. Také se zabýváme tím, jak lépe kompenzovat ztráty v systému a jak zajistit, aby architektura byla kompatibilní s kvantovou korekcí chyb.“