Квантовые компьютеры — устройства, которые могут выполнять вычисления, опираясь на принципы квантовой механики, — как ожидается, превзойдут классические компьютеры в некоторых типах задач оптимизации и обработки данных. Физики и инженеры разработали различные квантовые вычислительные системы за последние десятилетия, но надёжное масштабирование этих систем для решения реальных задач с исправлением ошибок, возникающих в процессе вычислений, до сих пор было сложной задачей.
Модульная квантовая архитектура
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 система, описанная в статье, опубликованной в Nature Electronics, состоит из нескольких модулей (то есть устройств с superconducting qubits), которые могут работать независимо и подключаться друг к другу через соединение с низкими потерями, образуя более крупную квантовую сеть.
«Отправной точкой для этого исследования стало понимание того, что в области сверхпроводящих квантовых вычислений нам необходимо разбить процессоры на несколько независимых устройств — подход, который мы называем «модульными квантовыми вычислениями», — рассказал Вольфганг Пфафф, старший автор статьи, в интервью Phys.org.
«В последние годы это стало широко распространённым убеждением, и даже такие компании, как IBM, придерживаются этого подхода. Мы хотели узнать, сможем ли мы реализовать удобный для инженеров способ подключения для этого подхода», — добавил он.
Цель исследования
По сути, Пфафф и его коллеги хотели разработать стратегию подключения квантовых устройств с минимизацией деградации сигнала или рассеивания энергии при передаче квантовой информации между ними. Более того, они хотели иметь возможность легко подключать, отключать и реконфигурировать устройства.
«Проще говоря, наш подход предполагает использование высококачественного сверхпроводящего коаксиального кабеля, называемого резонатором-шиной, — объяснил Пфафф. — Мы подключаем qubit ёмкостно к кабелю через специальный соединитель, который размещает кабель очень близко (с точностью до субмиллиметра) к qubit. Это позволяет нам эффективно выполнять операции между qubit и кабелем, а также между несколькими qubit, если они подключены к одному кабелю».
Ключевым моментом в том, что показали исследователи, является возможность сочетать соединение с очень низкими потерями между кабелем и qubit с быстрыми и высокоэффективными операциями, что также является новой разработкой.
Новый подход исследователей к созданию модульных квантовых сетей имеет заметные преимущества перед предыдущими методами масштабирования квантовых систем. В ходе начальных испытаний они обнаружили, что это позволило 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, у нас есть возможность создавать реконфигурируемые квантовые системы с нуля, например, с возможностью со временем «подключать» больше процессорных модулей 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», — подытожил учёный.