5 Minuten
Moduliarumas susitinka su kvantine inžinerija
Grainger College of Engineering, Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign (University of Illinois Urbana-Champaign) inžinieriai parodė praktišką modulinę architektūrą superlaidžiuose kvantiniuose procesoriuose, kurią galima sujungti ir rekonfigūruoti su labai aukštu tikslumu. Inžinieriai sukūrė modulius, kurie jungiasi beveik idealiai, atverdami mastelio didinimo ir rekonfigūravimo galimybes kvantinėms sistemoms. Šaltinis: Shutterstock
Sąvoka paprasta aprašyti, bet sunku įgyvendinti praktiškai: vietoj vieno monolitinio kvantinio procesoriaus, kuriame yra tūkstančiai ar milijonai kubitų, sukomplektuokite mažesnius, aukštos kokybės modulius, kurie gali būti sujungiami pagal poreikį. Šis modulinis požiūris primena, kaip LEGO kaladėlės sujungiamos į sudėtingas struktūras, tačiau kvantinių kompiuterių atveju iššūkis yra išlaikyti kvantinę koherenciją ir tikslų valdymą per fizines ribas.
Kodėl moduliarumas svarbus kvantiniam masteliui
Tradiciniai monolitiniai superlaidūs kvantiniai procesoriai susiduria su ribomis gamybos kokybėje, šilumos valdyme ir laidų sudėtingumu. Nedideli defektai arba variacijos didelėje plokštėje gali pabloginti bendrą našumą. Moduliarumas sprendžia šias problemas, leidžiant tyrėjams derinti nepriklausomai optimizuotus vienetus, atnaujinti aparatinę įrangą ir pakeisti gedusius modulius be viso procesoriaus utilizavimo. Svarbu, kad moduliniai sprendimai išlaikytų kvantinių vartų tikslumą ir leistų aptikti bei taisyti klaidas, siekiant klaidoms atsparaus veikimo.
Ilinojaus komanda savo straipsnyje žurnale Nature Electronics praneša apie modulinę superlaidžią sistemą, kurioje atskiros kubitų plokštės jungiasi per superlaidžius koaksialinius kabelius. Šios jungtys leidžia kubitams iš skirtingų modulių sąveikauti ir atlikti dvejų kubitų vartus su tikslumu, panašiu į ant plokštės vykstančių operacijų. Praneštas SWAP vartų tikslumas yra maždaug 99 %, o tai atitinka mažiau nei 1 % klaidą operacijoje — slenkstį, kuris padaro modulinį mastelį praktiškesnį.
Techninis požiūris ir pagrindiniai rezultatai
Tyrėjai sukonstravo du nepriklausomus superlaidžius įrenginius ir sujungė juos mažašvaistėmis koaksialinėmis superlaidžiomis jungtimis, veikiančiomis kaip kvantiniai interkonektai. Inžineriniu būdu suprojektavę jungiamosias grandis ir kruopščiai suderinę laiko parametrus, jie pasiekė koherentišką kvantinių būsenų mainą tarp modulių ir įgyvendino aukšto tikslumo SWAP operacijas. Tikslumas čia kiekybiškai parodo, kiek įgyvendinta kvantinė operacija atitinka idealų veikimą; tikslumas 1,0 reikštų tobulą, be klaidų vartą.
"Mes sukūrėme inžinerijai palankų būdą pasiekti moduliarumą su superlaidžiais kubitais," sakė Wolfgangas Pfaffas, asistentas fizikos profesorius ir straipsnio vyriausiasis autorius. Jis pabrėžė poreikį ne tik vykdyti aukštos kokybės susietinimo operacijas tarp modulių, bet ir galimybę išardyti bei rekonfigūruoti sistemas testavimui ir remontui.
Eksperimento rezultatai rodo, kad kabeliais pagrįstos jungtys gali pasiekti rodiklius, kurie pateisina mastelio didinimą: kabelio jungtis išlaikė koherenciją ir suteikė entanglmento kokybės sąveikas per fizinius modulius. Tai atveria kelius kurti didesnius procesorius sujungiant modulius vietoje pasikliaujant vienintelėmis didelėmis monolitinėmis plokštėmis.
Pasekmės klaidoms atsparumui ir kvantiniams tinklams
Aukšto tikslumo modulinių jungčių įdiegimas yra žingsnis link klaidoms atsparaus kvantinio skaičiavimo. Klaidoms atsparus veikimas reikalauja kelių sluoksnių: ilgos koherencijos laiko kubitų, tikslių vieno ir dviejų kubitų vartų, patikimo kubitų junglumo ir tvirtos klaidų aptikimo bei taisymo. Modulinės architektūros gali supaprastinti kai kuriuos klaidų taisymo aspektus, lokalizuodamos klaidas atskiriems moduliams ir leisdamos naudoti karštai keičiamus pakeitimus.
Be to, kabeliais pagrįstas moduliarumas informuoja kvantinių tinklų ir paskirstyto kvantinio skaičiavimo dizainą, kuriame atskiros skaičiavimo sistemos keičiasi kvantine informacija per jungtis. Šis požiūris papildo kitas kvantinių interkonektų strategijas, tokias kaip fotoninės jungtys ar mikrobangų–optinės transdukcijos, ir gali būti ypač pranašus superlaidžių platformų atveju.
Ekspertų įžvalga
Dr. Maria Hernandez, kvantinių sistemų inžinerė nacionalinėje laboratorijoje, komentavo: "Maždaug 99 % SWAP tikslumo pasiekimas tarp modulių yra reikšmingas etapo žingsnis. Tai parodo, kad praktiniai inžineriniai interkonektų iššūkiai — nuostoliai, impedanso suderinimas ir šiluminis inkaravimas — gali būti sprendžiami nepažeidžiant kvantinės koherencijos. Kitas iššūkis yra integruoti klaidų aptikimą ir išplėsti sujungtų modulių skaičių neįvedant kryžminio triukšmo ar valdymo naštos, kurie paneigtų moduliarumo privalumus."
Kiti žingsniai ir iššūkiai
Ilinojaus komanda planuoja išplėsti eksperimentą, kad sujungtų daugiau nei du modulius, išlaikant galimybę aptikti ir taisyti klaidas. Mastelio didinimas reikalauja kruopštaus sistemos lygmens projektavimo: multiplex'intų valdymo linijų, kriogeninės pakuotės, mažašvaistės jungties ir programinės įrangos protokolų paskirstytoms vartų tvarkaraščiams bei klaidų sekimui. Tyrėjai taip pat lygins kabeliais paremtus sprendimus su kitomis interkonektų technologijomis, kad nustatytų optimalias kompromisines galimybes didelio masto kvantinėms sistemoms.
Išvada
Moduliniai superlaidūs kvantiniai procesoriai, sujungiami per superlaidžius koaksialinius kabelius, yra perspektyvus kelias link masteliui pritaikomų, rekonfigūruojamų ir lengvai atnaujinamų kvantinių kompiuterių. Parodę beveik 99 % SWAP vartų tikslumą tarp atskirų įrenginių, Grainger College of Engineering komanda pateikė praktinį planą, kaip suklijuoti didesnes kvantines sistemas iš modulių, išlaikant vartų kokybę — svarbų žingsnį link klaidoms atsparaus kvantinio skaičiavimo.
Quelle: sciencedaily
Kommentare