Calculatoarele cuantice vor fi construite precum LEGO

Calculatoarele cuantice pot efectua calcule bazate pe principiile mecanicii cuantice și se așteaptă să depășească performanțele computerelor clasice în anumite tipuri de sarcini de optimizare și procesare.

Deși fizicienii și inginerii au demonstrat diverse sisteme de calcul cuantic în ultimele decenii, scalarea fiabilă a acestor sisteme, astfel încât să poată rezolva probleme practice, corectând în același timp erorile care apar în timpul calculului, a fost până acum o provocare.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Conectarea qubiților în interiorul computerelor cuantice rămâne o problemă.

Construirea unui computer cuantic ca dispozitiv unic și unificat s-a dovedit extrem de dificilă. Aceste mașini se bazează pe manipularea a milioane de qubiți, unitățile de bază ale informației cuantice, dar asamblarea unui număr atât de mare într-un singur sistem este o provocare majoră.

Așa cum micile blocuri LEGO se îmbină pentru a forma modele mai mari și mai complexe, cercetătorii pot construi module mai mici, de calitate superioară, pe care apoi le pot conecta pentru a forma un sistem cuantic complet.

Cercetătorii de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign au introdus recent o nouă arhitectură cuantică modulară care permite scalarea tolerantă la erori, scalabilă și reconfigurabilă a procesoarelor cuantice supraconductoare. Scalarea tolerantă la erori este esențială pentru menținerea efectelor cuantice și a condițiilor necesare pentru efectuarea calculelor cuantice pe termen lung.

Protocolul cablului de interconectare leagă blocurile de qubit între ele ca și cum ar fi cărămizile LEGO.

Sistemul pe care îl propun, prezentat într-o lucrare publicată în revista Nature Electronics , constă din mai multe module (adică dispozitive supraconductoare de tip qubit) care pot funcționa independent și sunt conectate la alte module prin interconexiuni, formând o rețea cuantică mai mare.

Simplu spus, cu aceste conexiuni, fiecare qubit din sistem va trebui doar să fie „plug and play”, așa cum adăugăm dispozitive periferice la un computer obișnuit. Acest tip de cablu de interconectare are, de asemenea, efectul de a reduce eroarea de calcul a sistemului la mai puțin de 1%.

„Punctul de plecare pentru această cercetare a fost înțelegerea actuală în domeniul calculului cuantic supraconductor, conform căreia ar trebui să împărțim procesorul în mai multe dispozitive independente – o abordare pe care o numim «calcul cuantic modular»”, descrie Wolfgang Pfaff, coautor al studiului.

În ultimii ani, aceasta a devenit o credință populară, iar chiar și companii precum IBM o urmează. Această cercetare ar putea realiza o conexiune prietenoasă din punct de vedere ingineresc cu abordarea modulară.

În esență, Pfaff și colegii săi concep o strategie pentru conectarea dispozitivelor cuantice, reducând în același timp degradarea semnalului sau pierderea de putere pe măsură ce informațiile cuantice sunt transmise între ele. În plus, doresc să poată conecta, deconecta și reconfigura cu ușurință dispozitivele.

„În termeni simpli, metoda noastră implică utilizarea unui cablu coaxial supraconductor de înaltă calitate, numit rezonator de magistrală”, explică Pfaff.

Acestea conectează un qubit capacitiv la un cablu prin intermediul unui conector personalizat, plasând cablul foarte aproape (cu precizie sub milimetru) de qubit și apoi de mai mulți qubiți dacă aceștia sunt conectați la același cablu.

Noua abordare a cercetătorilor pentru crearea de rețele cuantice modulare are avantaje semnificative față de abordările anterioare de scalare a sistemelor cuantice.

În testele inițiale, au descoperit că această metodă le permitea să conecteze în siguranță dispozitive cuantice bazate pe supraconductori și să le deconecteze ulterior fără a le deteriora, fără a provoca pierderi semnificative de semnal în porțile cuantice.

„Prin abordarea noastră, cred că avem oportunitatea de a construi sisteme cuantice reconfigurabile de la zero, cu opțiunea, de exemplu, de a «conecta» mai multe module de procesor în rețeaua de dispozitive cuantice în timp”, a adăugat Pfaff.

„În prezent, lucrăm la un design pentru a vedea dacă putem crește numărul de elemente conectate, ceea ce va face rețeaua noastră mai mare. De asemenea, analizăm cum să compensăm mai bine pierderile din sistem și să facem arhitectura compatibilă cu corecția erorilor cuantice.”