Квантовые компьютеры — устройства, которые могут выполнять вычисления на основе принципов квантовой механики, — как ожидается, превзойдут классические компьютеры в некоторых типах задач оптимизации и обработки данных. Физики и инженеры вводили различные квантовые вычислительные системы на протяжении последних десятилетий, но надёжное масштабирование этих систем для решения реальных задач с исправлением ошибок, возникающих во время вычислений, до сих пор было сложной задачей.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн недавно представили новую модульную квантовую архитектуру для масштабирования квантовых процессоров на основе сверхпроводников отказоустойчивым, масштабируемым и реконфигурируемым способом.
Их предложенная система
Их система, описанная в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics, состоит из нескольких модулей (то есть устройств со superconducting qubits), которые могут работать независимо и подключаться друг к другу через интерконнект с низкими потерями, образуя более крупную квантовую сеть.
«Отправной точкой для этого исследования стало текущее понимание в области сверхпроводящих квантовых вычислений, что нам нужно будет разбить процессоры на несколько независимых устройств — подход, который мы называем «модульные квантовые вычисления», — рассказал Phys.org Вольфганг Пфафф, старший автор статьи.
«Это в последние годы стало широко распространённым убеждением, и даже такие компании, как IBM, следуют этому подходу. Мы хотели узнать, сможем ли мы реализовать удобный для инженеров интерконнект для этого подхода».
По сути, Пфафф и его коллеги хотели разработать стратегию подключения квантовых устройств при минимизации деградации сигнала или рассеивания энергии при передаче квантовой информации между ними. Кроме того, они хотели иметь возможность легко подключать, отключать и реконфигурировать устройства.
«Проще говоря, наш подход предполагает использование высококачественного сверхпроводящего коаксиального кабеля, называемого резонатором шины, — объяснил Пфафф. — Мы подключаем qubit ёмкостно к кабелю через специальный коннектор, который размещает кабель очень близко (с точностью до субмиллиметра) к qubit. Это позволяет нам эффективно выполнять операции между qubit и кабелем, а затем и между несколькими qubits, если они подключены к одному кабелю».
«Ключевым моментом в том, что мы показали, является возможность сочетать соединение с очень низкими потерями между кабелем и qubit с быстрыми и высокоэффективными воротами; эти ворота также являются нашей новой разработкой, использующей быстрый процесс преобразования частоты, который позволяет нам делать это с помощью нашего стиля qubits (transom qubits)».
Новый подход исследователей к созданию модульных квантовых сетей имеет заметные преимущества по сравнению с предыдущими методами масштабирования квантовых систем. В ходе начальных испытаний они обнаружили, что он позволил им надёжно подключать квантовые устройства на основе сверхпроводников и отключать их позже без повреждений; всё это без существенной потери сигнала в квантовых воротах.
«Используя наш подход, я думаю, что у нас есть возможность создавать реконфигурируемые квантовые системы с нуля, например, с возможностью со временем «подключать» дополнительные модули процессоров к сети квантовых устройств», — добавил Пфафф.
«В настоящее время мы работаем над проектом, в котором хотим выяснить, сможем ли мы увеличить количество подключаемых элементов, делая наши сети больше. Мы также изучаем, как мы можем лучше преодолеть потери в системе и сделать архитектуру совместимой с квантовой коррекцией ошибок».