מחשבים קוונטיים ייבנו כמו לגו

מחשבים קוונטיים יכולים לבצע חישובים המבוססים על עקרונות מכניקת הקוונטים, וצפויים להתעלות על ביצועים טובים יותר ממחשבים קלאסיים בסוגים מסוימים של משימות אופטימיזציה ועיבוד.

למרות שפיזיקאים ומהנדסים הדגימו מערכות מחשוב קוונטיות שונות במהלך העשורים האחרונים, עד כה קנה מידה אמין של מערכות אלו כך שיוכלו לפתור בעיות מעשיות תוך תיקון שגיאות המתעוררות במהלך החישוב היווה אתגר.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — קישור קיוביטים בתוך מחשבים קוונטיים נותר בעיה.

בניית מחשב קוונטי כמכשיר יחיד ומאוחד הוכחה כקשה ביותר. מכונות אלה מסתמכות על מניפולציה של מיליוני קיוביטים, היחידות הבסיסיות של מידע קוונטי, אך הרכבת מספר כה גדול למערכת אחת היא אתגר גדול.

בדיוק כפי שקוביות לגו קטנות משתלבות יחד ליצירת עיצובים גדולים ומורכבים יותר, חוקרים יכולים לבנות מודולים קטנים ואיכותיים יותר ולאחר מכן לחבר אותם יחד ליצירת מערכת קוונטית שלמה.

חוקרים מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין הציגו לאחרונה ארכיטקטורה קוונטית מודולרית חדשה המאפשרת קנה מידה עמיד בפני תקלות, ניתנת להרחבה וניתנת להגדרה מחדש של מעבדים קוונטיים מוליכי-על. קנה מידה עמיד בפני תקלות חיוני לשמירה על אפקטים קוונטיים והתנאים הדרושים לביצוע חישובים קוונטיים ארוכי טווח.

פרוטוקול כבל החיבור מקשר בלוקים של קיוביטים יחד כמו לבני לגו.

המערכת שהם מציעים, המוצגת במאמר שפורסם בכתב העת Nature Electronics , מורכבת ממספר מודולים (כלומר, התקני קיוביט מוליכי-על) שיכולים לפעול באופן עצמאי ומחוברים למודולים אחרים באמצעות חיבורים ויוצרים רשת קוונטית גדולה יותר.

במילים פשוטות, עם חיבורים אלה, כל קיוביט במערכת יצטרך להיות רק "חבר והפעל" כמו שאנו מוסיפים התקנים היקפיים למחשב רגיל. כבל חיבור מסוג זה גם מפחית את שגיאת החישוב של המערכת לפחות מ-1%.

"נקודת המוצא למחקר זה הייתה ההבנה הנוכחית בתחום מחשוב קוונטי מוליך-על, לפיה נצטרך לפצל את המעבד למספר התקנים עצמאיים - גישה שאנו מכנים 'מחשוב קוונטי מודולרי'", מתאר וולפגנג פפאף, מחבר שותף של המחקר.

בשנים האחרונות, זו הפכה לאמונה פופולרית, ואפילו חברות כמו IBM ממשיכות בה. מחקר זה יכול לממש קשר ידידותי להנדסה לגישה המודולרית.

בעיקרו של דבר, פפאף ועמיתיו מפתחים אסטרטגיה לחיבור התקנים קוונטיים תוך מזעור פגיעה באות או אובדן הספק כאשר מידע קוונטי מועבר ביניהם. יתר על כן, הם רוצים להיות מסוגלים לחבר, לנתק ולשנות את התצורה של התקנים בקלות.

"במילים פשוטות, השיטה שלנו כוללת שימוש בכבל קואקסיאלי מוליך-על איכותי הנקרא מהוד אפיק", מסביר פפאף.

הם מחברים קיוביט קיבולי לכבל באמצעות מחבר מותאם אישית, וממקמים את הכבל קרוב מאוד (דיוק של פחות מ-1.2 מ"מ) לקיוביט, ולאחר מכן מספר קיוביטים אם הם מחוברים לאותו כבל.

לגישה החדשה של החוקרים ליצירת רשתות קוונטיות מודולריות יש יתרונות משמעותיים על פני גישות קודמות להגדלת מערכות קוונטיות.

בבדיקות ראשוניות, הם גילו ששיטה זו אפשרה להם לחבר בצורה מאובטחת התקנים קוונטיים מבוססי מוליכי-על ולנתק אותם מאוחר יותר מבלי לפגוע בהם, מבלי לגרום לאובדן אות משמעותי בשערי הקוונטים.

"עם הגישה שלנו, אני חושב שיש לנו הזדמנות לבנות מערכות קוונטיות הניתנות להגדרה מחדש מאפס, עם אפשרות, למשל, 'לחבר' מודולי מעבד נוספים לרשת של התקני קוונטים לאורך זמן", הוסיף פפאף.

"אנחנו עובדים כעת על עיצוב כדי לראות אם נוכל להגדיל את מספר האלמנטים המחוברים, ובכך להגדיל את הרשת שלנו. אנחנו גם בוחנים כיצד לפצות טוב יותר על הפסדים במערכת ולהפוך את הארכיטקטורה לתואמת לתיקון שגיאות קוונטי."