Nowa konstrukcja procesora kwantowego obejmuje modułowy router, który umożliwia lepszą łączność kubitową, odrywając się od tradycyjnych ograniczeń siatki 2D.
Celem tego podejścia jest skalowalność i odporność na błędy obliczenia kwantowe które mogłyby przekształcić branże, rozwiązując problemy wykraczające poza zasięg klasycznych komputerów.
Innowacja w procesorze kwantowym
Naukowcy z Uniwersytet w ChicagoSzkoła Inżynierii Molekularnej Pritzkera (UChicago PME) opracowała nowy projekt nadprzewodzącego procesora kwantowego. Projekt ten może posłużyć za podstawę do budowy wielkoskalowych, trwałych urządzeń kwantowych potrzebnych w przyszłym postępie technologicznym.
Tradycyjne chipy kwantowe układają kubity – podstawowe jednostki informacji kwantowej – w ustalonej siatce 2D, ograniczając interakcje do sąsiednich kubitów. Natomiast zespół Cleland Lab stworzył modułowy procesor kwantowy z centralnym, rekonfigurowalnym routerem. Konstrukcja ta pozwala na połączenie i splątanie dowolnych dwóch kubitów, z pominięciem fizycznych ograniczeń starszego podejścia opartego na siatce.
Zalety nowej architektury obliczeń kwantowych
„Komputer kwantowy niekoniecznie będzie konkurował z komputerem klasycznym pod względem wielkości pamięci czy rozmiaru procesora” – powiedział Andrew Cleland, profesor UChicago PME. „Zamiast tego wykorzystują zasadniczo odmienne skalowanie: podwojenie mocy obliczeniowej klasycznego komputera wymaga dwukrotnie większego procesora lub dwukrotnie większej częstotliwości zegara. Podwojenie komputera kwantowego wymaga tylko jednego dodatkowego kubitu.
Czerpiąc inspirację z klasycznych komputerów, projekt skupia kubity wokół centralnego routera, podobnie jak komputery komunikują się ze sobą za pośrednictwem centralnego koncentratora sieciowego. Kwantowe „przełączniki” mogą łączyć i rozłączać dowolny kubit w ciągu kilku nanosekund, umożliwiając tworzenie bramek kwantowych o wysokiej wierności i generowanie splątania kwantowego, podstawowego zasobu obliczeń kwantowych i komunikacji.
Skalowalność i podejście modułowe w chipach Quantum
„W zasadzie nie ma ograniczeń co do liczby kubitów, które można połączyć za pośrednictwem routerów” – powiedział Xuntao Wu, doktorant UChicago PME. „Jeśli potrzebujesz większej mocy obliczeniowej, możesz podłączyć więcej kubitów, o ile mieszczą się one w określonej przestrzeni”.
Wu jest pierwszym autorem nowej pracy opublikowanej w Przegląd fizyczny X który opisuje nowy sposób łączenia nadprzewodzących kubitów. Nowy chip kwantowy badaczy jest elastyczny, skalowalny i modułowy jak chipy w telefonach komórkowych i laptopach.
„Wyobraźmy sobie, że masz klasyczny komputer z płytą główną zawierającą wiele różnych komponentów, takich jak procesor lub procesor graficzny, pamięć i inne elementy” – powiedział Wu. „Częścią naszego celu jest przeniesienie tej koncepcji do sfery kwantowej”.
Potencjalny wpływ obliczeń kwantowych
Komputery kwantowe to wysoce zaawansowane, a zarazem delikatne urządzenia, które mogą zmienić takie dziedziny, jak telekomunikacja, opieka zdrowotna, czysta energia i kryptografia. Zanim komputery kwantowe będą w stanie w pełni wykorzystać swój potencjał, muszą się wydarzyć dwie rzeczy.
Po pierwsze, muszą być skalowane do wystarczająco dużych rozmiarów i zapewniać elastyczną obsługę.
„To skalowanie może zapewnić rozwiązania problemów obliczeniowych, których klasyczny komputer po prostu nie jest w stanie rozwiązać, na przykład rozkładanie na czynniki ogromnych liczb i łamanie w ten sposób kodów szyfrujących” – powiedział Cleland.
Po drugie, muszą być odporne na awarie i zdolne do wykonywania ogromnych obliczeń z niewielką liczbą błędów, w idealnym przypadku przewyższając moc obliczeniową obecnych, najnowocześniejszych klasycznych komputerów. Opracowywana tutaj nadprzewodząca platforma kubitowa jest obiecującym podejściem do budowy komputera kwantowego.
„Typowy chip procesora nadprzewodzącego ma kwadratowy kształt i są na nim wykonane wszystkie bity kwantowe. To system półprzewodnikowy o płaskiej strukturze” – powiedział współautor Haoxiong Yan, który wiosną ukończył UChicago PME, a obecnie pracuje jako inżynier kwantowy w dziale Applied Materials. „Jeśli potrafisz sobie wyobrazić układ 2D przypominający siatkę kwadratową, to jest to topologia typowych nadprzewodzących procesorów kwantowych”.
Aktualne ograniczenia projektów procesorów kwantowych
Ten typowy projekt powoduje kilka ograniczeń.
Po pierwsze, umieszczenie kubitów na siatce oznacza, że każdy kubit może wchodzić w interakcję tylko z co najwyżej czterema innymi kubitami – jego bezpośrednimi sąsiadami na północy, południu, wschodzie i zachodzie. Większa łączność kubitowa zwykle umożliwia zastosowanie mocniejszego procesora zarówno pod względem elastyczności, jak i narzutu komponentów, ale ogólnie uważa się, że ograniczenie czterech sąsiadów jest nieodłącznie związane z konstrukcją planarną. Oznacza to, że w praktycznych zastosowaniach obliczeń kwantowych skalowanie urządzenia przy użyciu brutalnej siły prawdopodobnie spowoduje nierealistyczne wymagania dotyczące zasobów.
„Podwojenie mocy obliczeniowej klasycznego komputera wymaga dwukrotnie większego procesora… Podwojenie mocy obliczeniowej komputera kwantowego wymaga tylko jednego dodatkowego kubitu.”
Szkoła Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzkera, prof. Andrew Cleland
Po drugie, połączenia najbliższego sąsiada będą z kolei ograniczać klasy dynamiki kwantowej, które można wdrożyć, a także zakres równoległości, jaki procesor jest w stanie wykonać.
Wreszcie, jeśli wszystkie kubity są wytwarzane na tym samym płaskim podłożu, stanowi to poważne wyzwanie dla wydajności produkcji, ponieważ nawet niewielka liczba uszkodzonych urządzeń oznacza, że procesor nie będzie działał.
„Aby podjąć się praktycznych obliczeń kwantowych, potrzebujemy milionów, a nawet miliardów kubitów i musimy wszystko wykonać perfekcyjnie” – powiedział Yan.
Przyszłe kierunki i wyzwania w informatyce kwantowej
Aby obejść te problemy, zespół dokonał retuszowania projektu procesora kwantowego. Procesor zaprojektowano modułowo, co umożliwia wstępny wybór różnych komponentów przed zamontowaniem ich na płycie głównej procesora.
Kolejne kroki zespołu obejmują pracę nad sposobami skalowania procesora kwantowego do większej liczby kubitów, znalezienie nowatorskich protokołów rozszerzających możliwości procesora i potencjalnie znalezienie sposobów łączenia klastrów kubitów podłączonych do routera w taki sam sposób, w jaki superkomputery łączą swoje procesory składowe.
Chcą także zwiększyć odległość, na jaką mogą splątać kubity.
„W tej chwili zasięg sprzęgania jest raczej średni, rzędu milimetrów” – powiedział Wu. „Jeśli więc próbujemy wymyślić sposoby łączenia zdalnych kubitów, musimy zbadać nowe sposoby integracji innych rodzajów technologii z naszą obecną konfiguracją”.
Odniesienie: „Modularny procesor kwantowy z wszechstronnym, rekonfigurowalnym routerem” autorstwa Xuntao Wu, Haoxiong Yan, Gustav Andersson, Alexander Anferov, Ming-Han Chou, Christopher R. Conner, Joel Grebel, Yash J. Joshi, Shiheng Li, Jacob M. Miller, Rhys G. Povey, Hong Qiao i Andrew N. Cleland, 4 listopada 2024 r., Przegląd fizyczny X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041030
Finansowanie: Urządzenia i eksperymenty były wspierane przez Biuro Badań Armii i Laboratorium Nauk Fizycznych (grant ARO nr W911NF2310077) oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (grant AFOSR nr FA9550-20-1-0270)
