Kvantdatorer kommer att byggas som LEGO

Kvantdatorer, som kan utföra beräkningar baserade på kvantmekanikens principer, förväntas överträffa klassiska datorer i vissa typer av optimerings- och bearbetningsuppgifter.

Även om fysiker och ingenjörer har demonstrerat olika kvantberäkningssystem under de senaste decennierna, har det hittills varit en utmaning att på ett tillförlitligt sätt skala dessa system så att de kan lösa praktiska problem samtidigt som de korrigerar fel som uppstår under beräkningen.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Att länka qubits inuti kvantdatorer är fortfarande ett problem.

Att bygga en kvantdator som en enda, enhetlig enhet har visat sig vara extremt svårt. Dessa maskiner förlitar sig på att manipulera miljontals qubits, de grundläggande enheterna för kvantinformation, men att sätta ihop så många till ett system är en stor utmaning.

Precis som små LEGO-klossar passar ihop för att bilda större, mer komplexa konstruktioner, kan forskare bygga mindre moduler av högre kvalitet och sedan koppla ihop dem för att bilda ett komplett kvantsystem.

Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign introducerade nyligen en ny modulär kvantarkitektur som möjliggör feltolerant, skalbar och omkonfigurerbar skalning av supraledande kvantprocessorer. Feltolerant skalning är avgörande för att upprätthålla kvanteffekter och de förhållanden som krävs för att utföra långsiktiga kvantberäkningar.

Protokollet för sammankopplingskabel kopplar samman qubit-block som LEGO-klossar.

Systemet de föreslår, som presenteras i en artikel publicerad i tidskriften Nature Electronics , består av flera moduler (dvs. supraledande qubit-enheter) som kan fungera oberoende av varandra och anslutas till andra moduler via sammankopplingar och bilda ett större kvantnätverk.

Enkelt uttryckt, med dessa anslutningar behöver varje qubit i systemet bara vara "plug and play" precis som vi lägger till kringutrustning till en vanlig dator. Denna typ av sammankopplingskabel har också effekten att minska systemets beräkningsfel till mindre än 1 %.

"Utgångspunkten för denna forskning var den nuvarande förståelsen inom området supraledande kvantberäkning att vi skulle behöva dela upp processorn i flera oberoende enheter – en metod som vi kallar 'modulär kvantberäkning'", beskriver Wolfgang Pfaff, medförfattare till studien.

På senare år har detta blivit en populär uppfattning, och även företag som IBM följer den. Denna forskning skulle kunna skapa en ingenjörsvänlig koppling till det modulära tillvägagångssättet.

I huvudsak utarbetar Pfaff och hans kollegor en strategi för att ansluta kvantkomponenter samtidigt som signalförsämring eller effektförlust minimeras när kvantinformation överförs mellan dem. Dessutom vill de enkelt kunna ansluta, koppla bort och omkonfigurera enheterna.

"Enkelt uttryckt innebär vår metod att vi använder en högkvalitativ supraledande koaxialkabel som kallas bussresonator", förklarar Pfaff.

De ansluter en kapacitiv qubit till en kabel via en anpassad kontakt, och placerar kabeln mycket nära (submm precision) qubiten, och sedan flera qubitar om de är anslutna till samma kabel.

Forskarnas nya tillvägagångssätt för att skapa modulära kvantnätverk har betydande fördelar jämfört med tidigare metoder för att skala kvantsystem.

I inledande tester fann de att den här metoden gjorde det möjligt för dem att säkert ansluta supraledarbaserade kvantenheter och koppla bort dem senare utan att skada dem, utan att orsaka betydande signalförlust i kvantgrindarna.

"Med vår metod tror jag att vi har möjlighet att bygga omkonfigurerbara kvantsystem från grunden, till exempel med möjligheten att 'koppla' fler processormoduler till nätverket av kvantenheter över tid", tillade Pfaff.

"Vi arbetar för närvarande med en design för att se om vi kan öka antalet anslutningselement, vilket gör vårt nätverk större. Vi tittar också på hur vi bättre kan kompensera för förluster i systemet och göra arkitekturen kompatibel med kvantfelkorrigering."