Nauja kvantinio skaičiavimo architektūra gali būti naudojama didelio masto įrenginiams prijungti – Eurazijos apžvalga


Kvantiniai kompiuteriai žada atlikti tam tikras užduotis, kurios yra neįveikiamos net ir galingiausiuose pasaulio superkompiuteriuose. Ateityje mokslininkai numato naudoti kvantinį skaičiavimą medžiagų sistemoms mėgdžioti, kvantinei chemijai imituoti ir sudėtingoms užduotims optimizuoti, o tai gali turėti įtakos vaistų finansavimui.

Tačiau norint įgyvendinti šį pažadą, reikalinga elastinga ir išplečiama aparatinė įranga. Vienas iš iššūkių kuriant didelio masto kvantinį kompiuterį yra tai, kad mokslininkai turi rasti veiksmingą būdą sujungti kvantinės informacijos mazgus – mažesnio masto apdorojimo mazgus, atskirtus per kompiuterio lustą. Kadangi kvantiniai kompiuteriai iš esmės skiriasi nuo klasikinių kompiuterių, įprasti elektroninės informacijos perdavimo būdai nėra tiesiogiai paverčiami kvantiniais įrenginiais. Tačiau vienas reikalavimas yra tikras: nesvarbu, ar per klasikinį, ar per kvantinį ryšį, pernešama informacija turi būti perduodama ir gaunama.

Šiuo tikslu MIT tyrėjai sukūrė kvantinio skaičiavimo architektūrą, kuri leis išplėsti, didelio tikslumo ryšį tarp superlaidžių kvantinių procesorių. Darbe, paskelbtame m Gamtos fizikaMIT tyrėjai demonstruoja pirmąjį žingsnį – pavienių fotonų – informacijos nešėjų – deterministinę emisiją vartotojo nurodyta kryptimi. Jų metodas užtikrina kvantinės informacijos srautus teisinga kryptimi daugiau nei 96 procentus laiko.

Sujungus kelis iš šių modulių, įgalinamas didesnis kvantinių procesorių tinklas, kurie yra tarpusavyje sujungti, nepaisant jų fizinio atskyrimo kompiuterio mikroschemoje.

„Kvantinės jungtys yra esminis žingsnis link modulinio didesnio masto mašinų, sukurtų iš mažesnių atskirų komponentų, diegimo“, – sako Bharathas Kannanas, PhD ’22, vienas iš tyrimo darbų, apibūdinančių šią techniką, vadovas.

„Gebėjimas bendrauti tarp mažesnių posistemių leis sukurti modulinę kvantinių procesorių architektūrą, ir tai gali būti paprastesnis būdas padidinti sistemos dydį, palyginti su žiaurios jėgos metodu, kai naudojamas vienas didelis ir sudėtingas lustas“, – priduria Kannanas.

Kannanas parašė šį dokumentą su bendraautore Aziza Almanakly, elektros inžinerijos ir informatikos magistrantūra MIT Elektronikos tyrimų laboratorijos (RLE) inžinerinių kvantinių sistemų grupėje. Vyresnysis autorius yra William D. Oliver, elektros inžinerijos ir informatikos bei fizikos profesorius, MIT Linkolno laboratorijos narys, Kvantinės inžinerijos centro direktorius ir RLE asocijuotas direktorius.

Judanti kvantinė informacija

Įprastame klasikiniame kompiuteryje įvairūs komponentai atlieka skirtingas funkcijas, tokias kaip atmintis, skaičiavimas ir kt. Elektroninė informacija, užkoduota ir saugoma kaip bitai (kurių reikšmė yra 1s arba 0s), tarp šių komponentų perduodama naudojant jungtis, kurios yra laidai. kurie judina elektronus kompiuterio procesoriuje.

Tačiau kvantinė informacija yra sudėtingesnė. Užuot turėjusi tik 0 arba 1 reikšmę, kvantinė informacija gali būti ir 0, ir 1 vienu metu (reiškinys, žinomas kaip superpozicija). Be to, kvantinę informaciją gali nešti šviesos dalelės, vadinamos fotonais. Dėl šių papildomų sudėtingumo kvantinė informacija tampa trapi ir jos negalima perkelti tiesiog naudojant įprastus protokolus.

Kvantinis tinklas jungia apdorojimo mazgus naudodamas fotonus, kurie keliauja per specialias jungtis, žinomas kaip bangolaidžiai. Bangolaidis gali būti vienakryptis ir perkelti fotoną tik į kairę arba į dešinę, arba gali būti dvikryptis.

Daugumoje esamų architektūrų naudojami vienkrypčiai bangolaidžiai, kuriuos lengviau įgyvendinti, nes fotonų judėjimo kryptis yra lengvai nustatoma. Bet kadangi kiekvienas bangolaidis perkelia fotonus tik viena kryptimi, plečiantis kvantiniam tinklui, reikia daugiau bangolaidžių, todėl šį metodą sunku pritaikyti. Be to, vienkrypčiuose bangolaidžiuose paprastai yra papildomų komponentų, užtikrinančių kryptingumą, o tai sukelia ryšio klaidas.

„Galime atsikratyti šių nuostolingų komponentų, jei turime bangolaidį, galintį palaikyti sklidimą tiek kaire, tiek dešine kryptimi, ir priemonę pasirinkti kryptį savo nuožiūra. Šį „kryptinį perdavimą“ mes pademonstravome ir tai yra pirmasis žingsnis link dvikrypčio ryšio su daug didesniu tikslumu“, – sako Kannanas.

Naudojant jų architektūrą, keli apdorojimo moduliai gali būti suverti išilgai vieno bangolaidžio. Nepaprastas architektūros dizaino bruožas yra tas, kad tą patį modulį galima naudoti ir kaip siųstuvą, ir kaip imtuvą, sako jis. O fotonus gali siųsti ir užfiksuoti bet kurie du moduliai išilgai bendro bangolaidžio.

„Turime tik vieną fizinį ryšį, kuris gali turėti bet kokį modulių skaičių. Tai daro jį keičiamo dydžio. Pademonstravę kryptingą fotonų emisiją iš vieno modulio, dabar stengiamės užfiksuoti tą fotoną pasroviui kitame modulyje“, – priduria Almanakly.

Kvantinių savybių panaudojimas

Norėdami tai padaryti, mokslininkai sukūrė modulį, sudarytą iš keturių kubitų.

Kubitai yra kvantinių kompiuterių statybiniai blokai ir naudojami kvantinei informacijai saugoti ir apdoroti. Tačiau kubitai taip pat gali būti naudojami kaip fotonų skleidėjai. Energijos pridėjimas prie kubito sužadina kubitą, o tada, kai jis sužadinamas, kubitas išskirs energiją fotono pavidalu.

Tačiau tiesiog vieno kubito prijungimas prie bangolaidžio neužtikrina kryptingumo. Vienas kubitas skleidžia fotoną, bet ar jis keliauja į kairę ar į dešinę, yra visiškai atsitiktinis. Norėdami išvengti šios problemos, mokslininkai naudoja du kubitus ir savybę, vadinamą kvantiniais trukdžiais, kad užtikrintų, jog skleidžiamas fotonas keliauja teisinga kryptimi.

Ši technika apima dviejų kubitų paruošimą susipainiojusioje vieno sužadinimo būsenoje, vadinamoje Bell būsena. Šią kvantinę-mechaninę būseną sudaro du aspektai: sužadinamas kairysis kubitas ir sužadinamas dešinysis kubitas. Abu aspektai egzistuoja vienu metu, bet kuris kubitas sužadinamas tam tikru metu, nežinoma.

Kai kubitai yra šioje įsipainiojusioje varpo būsenoje, fotonas efektyviai išspinduliuojamas į bangolaidį dviejose kubitų vietose vienu metu, o šie du „emisijos keliai“ trukdo vienas kitam. Priklausomai nuo santykinės fazės varpo būsenoje, gauta fotonų emisija turi judėti į kairę arba į dešinę. Paruošdami Bell būseną su teisinga faze, mokslininkai pasirenka kryptį, kuria fotonas keliauja per bangolaidį.

Jie gali naudoti tą pačią techniką, bet atvirkščiai, kad gautų fotoną kitame modulyje.

„Fotonas turi tam tikrą dažnį, tam tikrą energiją, o jį priimti galima paruošti modulį, derindamas į tą patį dažnį. Jei jie nėra vienodo dažnio, fotonas tiesiog praeis. Tai analogiška radijo derinimui į tam tikrą stotį. Jei pasirinksime tinkamą radijo dažnį, paimsime tuo dažniu perduodamą muziką“, – sako Almanakly.

Tyrėjai išsiaiškino, kad jų technika pasiekė daugiau nei 96 procentų tikslumą – tai reiškia, kad jei jie ketino spinduliuoti fotoną į dešinę, 96 procentus laiko jis buvo nukreiptas į dešinę.

Dabar, kai jie panaudojo šią techniką, norėdami efektyviai skleisti fotonus tam tikra kryptimi, mokslininkai nori sujungti kelis modulius ir naudoti procesą fotonams spinduliuoti ir sugerti. Tai būtų didelis žingsnis kuriant modulinę architektūrą, kuri sujungia daugybę mažesnio masto procesorių į vieną didesnio masto ir galingesnį kvantinį procesorių.