5 Minutės
Moduliarumas susitinka su kvantine inžinerija
Grainger inžinerijos kolegijos (University of Illinois Urbana-Champaign) inžinieriai demonstravo praktišką modulinę architektūrą superlaidžių kvantinių procesorių, kurią galima sujungti ir rekonfigūruoti esant itin aukštai kokybei. Inžinieriai sukonstravo modulius, kurie jungiasi beveik be klaidų, atverdami kelią skalėms ir rekonfigūruojamoms kvantinėms sistemoms. Šaltinis: Shutterstock
Idėja yra paprasta aprašyti, bet sudėtinga įgyvendinti: vietoj vieno monolitinio kvantinio procesoriaus su tūkstančiais ar milijonais kubitų, sujungti mažesnius, aukštos kokybės modulius pagal poreikį. Šis modulinis požiūris primena, kaip LEGO plytelės jungiasi į sudėtingas struktūras, tačiau kvantinių kompiuterių atveju svarbiausias iššūkis – išlaikyti kvantinę koherenciją ir tikslų valdymą per fizines ribas.
Kodėl moduliarumas svarbus kvantinės skalės didinimui
Tradiciniai, monolitiniai superlaidūs kvantiniai procesoriai susiduria su gamybos išeigos, šilumos valdymo ir laidų sudėtingumo apribojimais. Maži defektai ar variacijos dideliame luste gali pabloginti bendrą našumą. Moduliarumas sprendžia šias problemas leidžiant mokslininkams derinti nepriklausomai optimizuotus vienetus, atnaujinti aparatinę įrangą ir pakeisti gedinčius modulius nesunaikinant viso procesoriaus. Svarbiausia, kad moduliniai dizainai turi išsaugoti kvantinių vartų tikslumą ir leisti aptikti bei taisyti klaidas, siekiant klaidoms atsparios (fault-tolerant) operacijos.
Ilinojaus komanda savo straipsnyje Nature Electronics aprašo modulinę superlaidžią sistemą, kuri atskirus kubitų įrenginius jungia superlaidžiais koaksialiniais kabeliais. Šios jungtys leidžia kubitams skirtinguose moduliuose sąveikauti ir vykdyti dvikubitinius vartus su tikslumu, artimu ant plokštės vykdomoms operacijoms. Praneštas SWAP vartų tikslumas yra maždaug 99%, tai atitinka mažiau nei 1% klaidą operacijoje – slenkstį, kuris palengvina modulinį mastelio didinimą.
Techninis požiūris ir pagrindiniai rezultatai
Tyrėjai sukonstravo du nepriklausomus superlaidžius įrenginius ir sujungė juos mažo nuostolio koaksialiniais superlaidžiais kabeliais, veikiančiais kaip kvantiniai interkonektai. Inžineriniu būdu pritaikę jungiklius ir kruopščiai sinchronizuodami laiką, jie pasiekė koherentinį kvantinių būsenų mainą tarp modulių ir įgyvendino aukštos kokybės SWAP operacijas. Tikslumas čia nustato, kiek įgyvendinta kvantinė operacija atitinka idealų veikimą; 1.0 reikštų tobulą, be klaidų vartą.
"Mes sukūrėme inžinerijai palankų būdą pasiekti moduliarumą su superlaidžiais kubitais," sakė Wolfgang Pfaff, fizikos lektorius ir pagrindinis straipsnio autorius. Jis pabrėžė, kad svarbu ne tik atlikti aukštos kokybės susipainiojimo operacijas tarp modulių, bet ir turėti galimybę išardyti bei rekonfigūruoti sistemas testavimui ir remontui.
Eksperimentas įrodo, kad kabeliu pagrįstos jungtys gali pasiekti rodiklius, pateisinančius mastelio didinimą: kabelio ryšys išsaugojo koherenciją ir užtikrino aukštos kokybės susipainiojimo sąveikas tarp fizinių modulių. Tai atveria kelią didesniems procesoriams statyti sujungiant modulius vietoje nuolatinio daug didesnių monolitinių lustų kūrimo.
Pasekmės klaidų tolerancijai ir kvantiniams tinklams
Aukštos kokybės modulinių jungčių pasiekimas yra žingsnis link klaidoms atsparaus kvantinio skaičiavimo. Klaidų tolerancija reikalauja kelių sluoksnių: kubitų su ilgais koherencijos laikais, tikslių vieno ir dviejų kubitų vartų, patikimo kubitų susiejimo ir stiprios klaidų aptikimo bei korekcijos. Modulinės architektūros gali supaprastinti kai kurias klaidų korekcijos dalis lokalizuodamos klaidas atskiruose moduliuose ir leisdamos naudoti karštai keičiamus pakeitimus.
Be to, kabeliu pagrįstas moduliarumas formuoja dizainus kvantiniams tinklams ir paskirstytam kvantiniam skaičiavimui, kur atskiri procesoriai keičiasi kvantine informacija per jungtis. Šis požiūris papildo kitas kvantinių sąsajų strategijas, tokias kaip fotoniniai ryšiai ar mikrobangų–optikos transduktoriai, ir gali būti ypač naudingas superlaidžioms platformoms.
Eksperto įžvalga
Dr. Maria Hernandez, kvantinių sistemų inžinierė nacionalinėje laboratorijoje, komentavo: "Artėjimas prie ~99% SWAP tikslumo tarp modulių yra reikšmingas pasiekimas. Tai įrodo, kad praktiniai interkonektų inžineriniai apribojimai – nuostoliai, impedanso suderinimas ir šiluminis ankeriavimas – gali būti sprendžiami nepažeidžiant kvantinės koherencijos. Kitas iššūkis – integruoti klaidų aptikimą ir padidinti sujungtų modulių skaičių neįvedant kryžminio triukšmo ar valdymo perkrovos, kuri paneigtų moduliarumo privalumus."
Kiti žingsniai ir iššūkiai
Ilinojaus komanda planuoja išplėsti eksperimentą ir sujungti daugiau nei du modulius, išlaikydama gebėjimą aptikti ir taisyti klaidas. Mastelio didinimas reikalauja kruopščios sistemos lygio inžinerijos: multiplex'intų valdymo linijų, kriogeninio pakuotės dizaino, mažo nuostolio interkonektų ir programinės įrangos protokolų paskirstytam vartų planavimui bei klaidų sekimui. Tyrėjai taip pat palygins kabeliu pagrįstus sprendimus su kitomis jungčių technologijomis, kad nustatytų optimalias kompromisines galimybes didelio masto kvantinėms sistemoms.
Išvada
Moduliniai superlaidūs kvantiniai procesoriai, sujungti per superlaidžius koaksialinius kabelius, yra perspektyvus kelias link mastelio, rekonfigūruojamų ir atnaujinamų kvantinių kompiuterių. Parodę beveik 99% SWAP vartų tikslumą tarp atskirų įrenginių, Grainger inžinerijos komanda pateikė praktinį planą didesnių kvantinių sistemų siūlėms, išlaikant vartų kokybę – tai svarbus žingsnis link klaidoms atsparaus kvantinio skaičiavimo.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai