Kvantedatamaskiner vil bli bygget som LEGO

Kvantedatamaskiner kan utføre beregninger basert på prinsippene i kvantemekanikk, og forventes å utkonkurrere klassiske datamaskiner i visse typer optimaliserings- og prosesseringsoppgaver.

Selv om fysikere og ingeniører har demonstrert ulike kvanteberegningssystemer de siste tiårene, har det så langt vært en utfordring å skalere disse systemene pålitelig slik at de kan løse praktiske problemer samtidig som de korrigerer feil som oppstår under beregning.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Det er fortsatt et problem å koble qubits inne i kvantedatamaskiner.

Det har vist seg å være ekstremt vanskelig å bygge en kvantedatamaskin som én enkelt, enhetlig enhet. Disse maskinene er avhengige av å manipulere millioner av qubits, de grunnleggende enhetene for kvanteinformasjon, men det er en stor utfordring å sette sammen et så stort antall til ett system.

Akkurat som små LEGO-klosser passer sammen for å danne større, mer komplekse design, kan forskere bygge mindre moduler av høyere kvalitet og deretter koble dem sammen for å danne et komplett kvantesystem.

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign introduserte nylig en ny modulær kvantearkitektur som muliggjør feiltolerant, skalerbar og rekonfigurerbar skalering av superledende kvanteprosessorer. Feiltolerant skalering er avgjørende for å opprettholde kvanteeffekter og betingelsene som er nødvendige for å utføre langsiktige kvanteberegninger.

Protokollen for sammenkoblingskabel kobler qubit-klosser sammen som LEGO-klosser.

Systemet de foreslår, presentert i en artikkel publisert i tidsskriftet Nature Electronics , består av flere moduler (dvs. superledende qubit-enheter) som kan operere uavhengig og er koblet til andre moduler gjennom sammenkoblinger og danner et større kvantenettverk.

Enkelt sagt, med disse tilkoblingene trenger hver qubit i systemet bare å være "plug and play" slik vi legger til eksterne enheter til en vanlig datamaskin. Denne typen sammenkoblingskabel har også effekten av å redusere systemets beregningsfeil til mindre enn 1 %.

«Utgangspunktet for denne forskningen var den nåværende forståelsen innen superledende kvantedatabehandling om at vi ville trenge å dele prosessoren inn i flere uavhengige enheter – en tilnærming vi kaller 'modulær kvantedatabehandling'», beskriver Wolfgang Pfaff, medforfatter av studien.

I de senere årene har dette blitt en vanlig oppfatning, og selv selskaper som IBM følger den. Denne forskningen kan realisere en ingeniørvennlig kobling til den modulære tilnærmingen.

I hovedsak utvikler Pfaff og kollegene hans en strategi for å koble sammen kvanteenheter samtidig som signalforringelse eller strømtap minimeres når kvanteinformasjon overføres mellom dem. Videre ønsker de å kunne koble til, frakoble og konfigurere enhetene på en enkel måte.

«Enkelt sagt innebærer metoden vår å bruke en superledende koaksialkabel av høy kvalitet som kalles en bussresonator», forklarer Pfaff.

De kobler en kapasitiv qubit til en kabel via en tilpasset kontakt, og plasserer kabelen svært nær (sub-mm presisjon) qubiten, og deretter flere qubits hvis de er koblet til samme kabel.

Forskernes nye tilnærming til å lage modulære kvantenettverk har betydelige fordeler i forhold til tidligere tilnærminger til skalering av kvantesystemer.

I innledende tester fant de ut at denne metoden tillot dem å koble til superlederbaserte kvanteenheter på en sikker måte og koble dem fra senere uten å skade dem, uten å forårsake betydelig signaltap i kvanteportene.

«Med vår tilnærming tror jeg vi har muligheten til å bygge rekonfigurerbare kvantesystemer fra bunnen av, med muligheten til for eksempel å «plugge» flere prosessormoduler inn i nettverket av kvanteenheter over tid», la Pfaff til.

«Vi jobber for tiden med et design for å se om vi kan øke antallet tilkoblede elementer, noe som gjør nettverket vårt større. Vi ser også på hvordan vi bedre kan kompensere for tap i systemet og gjøre arkitekturen kompatibel med kvantefeilkorreksjon.»