Квантові комп'ютери будуть побудовані як LEGO

Квантові комп'ютери можуть виконувати обчислення на основі принципів квантової механіки та, як очікується, перевершать класичні комп'ютери в певних типах завдань оптимізації та обробки.

Хоча фізики та інженери протягом останніх десятиліть продемонстрували різні квантові обчислювальні системи, надійне масштабування цих систем для вирішення практичних задач з одночасним виправленням помилок, що виникають під час обчислень, досі було складним завданням.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Зв'язування кубітів всередині квантових комп'ютерів залишається проблемою.

Створення квантового комп'ютера як єдиного уніфікованого пристрою виявилося надзвичайно складним. Ці машини залежать від маніпулювання мільйонами кубітів, основних одиниць квантової інформації, але зібрати таку велику кількість в одну систему є серйозним викликом.

Так само, як маленькі блоки LEGO поєднуються разом, утворюючи більші, складніші конструкції, дослідники можуть створювати менші, високоякісні модулі, а потім з'єднувати їх разом, щоб утворити повноцінну квантову систему.

Дослідники з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн нещодавно представили нову модульну квантову архітектуру, яка забезпечує відмовостійке, масштабоване та реконфігуроване масштабування надпровідних квантових процесорів. Відмовостійке масштабування є важливим для підтримки квантових ефектів та умов, необхідних для виконання довгострокових квантових обчислень.

Протокол з'єднувального кабелю з'єднує кубіти-блоки разом, як цеглинки LEGO.

Запропонована ними система, представлена в статті, опублікованій у журналі Nature Electronics , складається з кількох модулів (тобто надпровідних кубітних пристроїв), які можуть працювати незалежно та з'єднані з іншими модулями через з'єднання, утворюючи більшу квантову мережу.

Простіше кажучи, завдяки таким з'єднанням кожен кубіт у системі потрібно буде лише "підключити та використовувати", як ми додаємо периферійні пристрої до звичайного комп'ютера. Цей тип з'єднувального кабелю також зменшує похибку обчислень системи до менш ніж 1%.

«Відправною точкою для цього дослідження стало сучасне розуміння в галузі надпровідних квантових обчислень того, що нам потрібно розділити процесор на кілька незалежних пристроїв – підхід, який ми називаємо «модульними квантовими обчисленнями»», – описує Вольфганг Пфафф, співавтор дослідження.

В останні роки це стало поширеною думкою, і навіть такі компанії, як IBM, прагнуть її втілити. Це дослідження може реалізувати інженерно-зручний зв'язок з модульним підходом.

По суті, Пфафф та його колеги розробляють стратегію з'єднання квантових пристроїв, мінімізуючи при цьому погіршення сигналу або втрати потужності під час передачі квантової інформації між ними. Крім того, вони хочуть мати можливість легко підключати, відключати та переналаштовувати пристрої.

«Простими словами, наш метод передбачає використання високоякісного надпровідного коаксіального кабелю, який називається шинним резонатором», – пояснює Пфафф.

Вони підключають ємнісний кубіт до кабелю через спеціальний роз'єм, розміщуючи кабель дуже близько (з точністю до міліметра) до кубіта, а потім до кількох кубітів, якщо вони підключені до одного кабелю.

Новий підхід дослідників до створення модульних квантових мереж має значні переваги порівняно з попередніми підходами до масштабування квантових систем.

У початкових випробуваннях вони виявили, що цей метод дозволяє їм надійно з'єднувати квантові пристрої на основі надпровідників та від'єднувати їх пізніше, не пошкоджуючи їх та не спричиняючи значних втрат сигналу в квантових затворах.

«Завдяки нашому підходу, я думаю, у нас є можливість створювати реконфігуровані квантові системи з нуля, з можливістю, наприклад, «підключати» більше процесорних модулів до мережі квантових пристроїв з часом», – додав Пфафф.

«Наразі ми працюємо над проєктом, щоб побачити, чи можемо ми збільшити кількість підключених елементів, зробивши нашу мережу більшою. Ми також розглядаємо, як краще компенсувати втрати в системі та зробити архітектуру сумісною з квантовою корекцією помилок».