Переосмысление квантового чипа: инженеры демонстрируют новую конструкцию сверхпроводящего квантового процессора

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Университета Чикаго (UChicago PME) завершили разработку нового 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 в двумерной сетке, команда Cleland Lab разработала модульный квантовый процессор, который включает в себя реконфигурируемый маршрутизатор в качестве центрального узла. Это позволяет любым двум кубитам соединяться и запутываться, тогда как в старой системе кубиты могли взаимодействовать только с физически ближайшими к ним кубитами.

«Квантовый компьютер не обязательно будет конкурировать с классическим компьютером в таких областях, как размер памяти или размер процессора», — сказал профессор Эндрю Клеланд из UChicago PME.

«Вместо этого они используют преимущества принципиально другого масштабирования: для удвоения вычислительной мощности классического компьютера требуется процессор вдвое большего размера или вдвое большей тактовой частоты. Для удвоения квантового компьютера требуется только один дополнительный кубит».

Черпая вдохновение из классических компьютеров, кубиты в конструкции группируются вокруг центрального маршрутизатора, точно так же, как ПК взаимодействуют друг с другом через центральный сетевой концентратор. Квантовые «переключатели» могут подключать и отключать любой кубит за наносекунды, 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 кандидат наук из Чикагского малого и среднего бизнеса Сюнтао Ву. «Вы можете подключить больше кубитов, если вам нужна большая мощность обработки, при условии, что они соответствуют определенной мощности. отпечаток пальца».

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

«Представьте, что у вас есть классический компьютер с материнской платой, в которую встроено множество различных компонентов, таких как процессор или графический процессор, память и многое другое», — сказал Ву. «Часть нашей цели — перенести эту концепцию в компьютер. квантовая область.

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 оптимально решить эти глобальные проблемы, должны произойти две вещи.

Во-первых, они должны быть достаточно большими и иметь гибкую работоспособность.

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

Во-вторых, они должны быть отказоустойчивыми, способными выполнять массивные вычисления с небольшим количеством ошибок, в идеале превосходящими вычислительную мощность современных классических компьютеров. Разрабатываемая здесь платформа сверхпроводящих кубитов представляет собой многообещающий подход к созданию квантового компьютера.

«Типичный сверхпроводящий процессорный чип имеет квадратную форму, на которой изготовлены все квантовые биты. Это твердотельная система с плоской структурой», — сказал соавтор Хаосюн Ян, выпускник Чикагского университета PME весной и сейчас работает. в качестве квантового инженера прикладных материалов. «Если вы можете представить двумерную решетку, например, квадратную, это топология типичных сверхпроводящих квантовых процессоров».

Ограничения типового дизайна

Эта типичная конструкция имеет несколько ограничений.

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

Во-вторых, связи между ближайшими соседями, 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 создает серьезные проблемы с точки зрения производительности 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 делать все идеально», — сказал Ян.

Переосмыслите чип

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

Следующие шаги команды включают поиск способов расширения квантового процессора до большего количества кубитов, поиск новых протоколов для расширения возможностей процессора и, возможно, поиск способов связать кластеры подключенных кубитов с маршрутизатором таким же образом, как суперкомпьютеры подключают свои компонентные процессоры.

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

«На данный момент диапазон связи является средним, порядка миллиметров», — сказал Ву, — «Поэтому, если мы попытаемся придумать способы соединения удаленных кубитов, нам нужно будет изучить новые способы интеграции других типов технологий. наша текущая установка».