Переосмысление квантового чипа: инженеры представили новую конструкцию сверхпроводящего квантового процессора

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Университета Чикаго (UChicago PME) реализовали новую конструкцию сверхпроводящего квантового процессора, стремясь создать потенциальную архитектуру для крупномасштабных и долговечных устройств, которых требует квантовая революция.

В отличие от типичной конструкции квантового чипа, в которой кубиты обработки информации размещаются на двумерной сетке, команда из Cleland Lab разработала модульный квантовый процессор, включающий реконфигурируемый маршрутизатор в качестве центрального узла. Это позволяет любым двум кубитам соединяться и запутываться, тогда как в старой системе кубиты могут общаться только с физически ближайшими к ним кубитами.

«Квантовый компьютер не обязательно будет конкурировать с классическим компьютером по таким параметрам, как размер памяти или размер процессора», — сказал профессор PME Университета Чикаго Эндрю Клеланд.

«Вместо этого они используют принципиально иное масштабирование: для удвоения вычислительной мощности классического компьютера требуется вдвое больший процессор или удвоенная тактовая частота. Для удвоения квантового компьютера требуется только один дополнительный кубит».

Черпая вдохновение из классических компьютеров, кубиты в конструкции кластеризуются вокруг центрального маршрутизатора, подобно тому, как ПК общаются друг с другом через центральный сетевой концентратор. Квантовые «переключатели» могут подключать и отключать любой кубит за несколько наносекунд, обеспечивая высокоточные квантовые вентили и генерацию квантовой запутанности — фундаментального ресурса для квантовых вычислений и связи.

«В принципе, нет ограничений на количество кубитов, которые могут подключаться через маршрутизаторы», — сказал доктор философии UChicago PME. кандидат Сюньтао Ву. «Вы можете подключить больше кубитов, если вам нужна большая вычислительная мощность, при условии, что они занимают определенную площадь».

Ву — первый автор новой статьи опубликовано в Физический обзор X который описывает этот новый способ соединения сверхпроводящих кубитов. Новый квантовый чип исследователей является гибким, масштабируемым и таким же модульным, как чипы в мобильных телефонах и ноутбуках.

«Представьте, что у вас есть классический компьютер с материнской платой, объединяющей множество различных компонентов, таких как процессор или графический процессор, память и другие элементы», — сказал Ву. «Часть нашей цели — перенести эту концепцию в квантовый мир».

Размер и шум

Квантовые компьютеры — это высокотехнологичные, но хрупкие устройства, способные изменить такие области, как телекоммуникации, здравоохранение, экологически чистая энергетика и криптография. Прежде чем квантовые компьютеры смогут решить эти глобальные проблемы в полной мере, должны произойти две вещи.

Во-первых, они должны быть масштабированы до достаточно большого размера с возможностью гибкой работы.

«Такое масштабирование может предложить решения вычислительных задач, которые классический компьютер просто не может решить, например, факторизацию огромных чисел и тем самым взлом кодов шифрования», — сказал Клеланд.

Во-вторых, они должны быть отказоустойчивыми, способными выполнять массивные вычисления с небольшим количеством ошибок, в идеале превосходя вычислительную мощность современных классических компьютеров. Платформа сверхпроводящих кубитов, разрабатываемая здесь, является одним из многообещающих подходов к созданию квантового компьютера.

«Типичный сверхпроводящий процессорный чип имеет квадратную форму, на которой изготовлены все квантовые биты. Это твердотельная система с планарной структурой», — сказал соавтор Хаосюн Ян, который весной окончил UChicago PME и сейчас работает квантовый инженер по прикладным материалам. «Если вы можете представить двумерный массив, похожий на квадратную решетку, это топология типичных сверхпроводящих квантовых процессоров».

Ограничения типовой конструкции

Эта типичная конструкция имеет ряд ограничений.

Во-первых, размещение кубитов в сетке означает, что каждый кубит может взаимодействовать максимум с четырьмя другими кубитами — своими непосредственными соседями на севере, юге, востоке и западе. Большая связность кубитов обычно позволяет использовать более мощный процессор как с точки зрения гибкости, так и с точки зрения затрат на компоненты, но ограничение в четыре соседа обычно считается присущим планарной конструкции. Это означает, что для практических приложений квантовых вычислений масштабирование устройства с использованием грубой силы, скорее всего, приведет к нереалистичным требованиям к ресурсам.

Во-вторых, соединения ближайших соседей, в свою очередь, будут ограничивать классы квантовой динамики, которые могут быть реализованы, а также степень параллелизма, которую способен выполнять процессор.

Наконец, если все кубиты изготавливаются на одной и той же планарной подложке, это серьезно снижает производительность производства, поскольку даже небольшое количество вышедших из строя устройств означает, что процессор не будет работать.

«Чтобы осуществить практические квантовые вычисления, нам нужны миллионы или даже миллиарды кубитов, и нам нужно сделать все идеально», — сказал Ян.

Переосмысление чипа

Чтобы обойти эти проблемы, команда ретушировала конструкцию квантового процессора. Процессор спроектирован модульным, поэтому перед установкой на материнскую плату процессора можно предварительно выбрать различные компоненты.

Следующие шаги команды будут работать над способами масштабирования квантового процессора до большего количества кубитов, поиском новых протоколов для расширения возможностей процессора и, возможно, поиском способов связать кластеры кубитов, подключенных к маршрутизатору, так же, как суперкомпьютеры связывают свои компонентные процессоры.

Они также стремятся расширить расстояние, на котором они могут запутывать кубиты.

«На данный момент диапазон сцепления находится в среднем диапазоне, порядка миллиметров», — сказал Ву. «Поэтому, если мы пытаемся придумать способы подключения удаленных кубитов, мы должны изучить новые способы интеграции других технологий с нашей текущей установкой».