„Toggle Switch“ od NIST a budoucnost kvantových počítačů

Nové zařízení by mohlo vést k všestrannějším kvantovým procesorům s jasnějšími výstupy.

K čemu je výkonný počítač, když nemůžete přečíst jeho výstup? Nebo snadno přeprogramovatelné na různé funkce? Lidé navrhující kvantové počítače čelí těmto výzvám a nové zařízení může usnadnit jejich řešení.

Zařízení, které představil tým vědců z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST), obsahuje dva supravodivé kvantové bity nebo qubity, které jsou kvantovým počítačovým analogem logických qubitů v klasickém počítačovém procesoru. Srdce této nové strategie se opírá o zařízení „přepínače“, které připojuje qubity k obvodu zvanému „čtecí rezonátor“, který dokáže číst výstup qubitových výpočtů.

přepínací mechanismus

Tento přepínač lze přepnout do různých stavů a ​​upravit tak sílu spojení mezi qubitem a čtecím rezonátorem. Při přepínání jsou všechny tři prvky od sebe izolovány. Když zapnete spínač, abyste propojili dva qubity, mohou vzájemně spolupracovat a provádět matematické operace. Jakmile jsou výpočty dokončeny, může přepínač propojit kterýkoli z qubitů a čtecí rezonátor a získat výsledky.

S programovatelným přepínačem jde dlouhou cestu ke snížení šumu, což je běžný problém v obvodech kvantových počítačů, který ztěžuje qubitům provádět výpočty a jasně zobrazovat jejich výsledky.

Tento obrázek ukazuje centrální pracovní oblast zařízení. Ve spodní části tři velké obdélníky (světle modré) představují dva qubity nebo qubity vpravo a vlevo a rezonátor uprostřed. Ve zvětšené horní části, pohybující se mikrovlny skrz anténu (velký tmavě modrý obdélník dole) indukují magnetické pole ve smyčce SQUID (menší bílý čtverec uprostřed, strany asi 20 μm dlouhé). Magnetické pole aktivuje pákový spínač. Frekvence a velikost mikrovln určují polohu klíče a sílu spojení mezi qubitem a rezonátorem. Kredit: R. Simmonds/NIST

Zvyšte výkon a věrnost

„Cílem je udržet qubity šťastné, aby mohly počítat bez rozptylování a přitom je stále číst, když chceme,“ řekl Ray Symonds, fyzik NIST a jeden z autorů článku. „Tato architektura zařízení pomáhá chránit qubity a slibuje zlepšení naší schopnosti provádět vysoce přesná měření potřebná k sestavení kvantových informačních procesorů z qubitů.“

Tým, který zahrnuje také vědce z University of Massachusetts Lowell, University of Colorado Boulder a Raytheon BBN Technologies, popisuje svá zjištění v článku nedávno publikovaném v časopise. přírodní fyzika.

Quantum computing: současný stav a výzvy

Stále se vyvíjející kvantové počítače by využívaly exotické vlastnosti kvantové mechaniky k provádění úkolů, které by i naše nejvýkonnější klasické počítače těžko řešily, jako je pomoc při vývoji nových léků prováděním složitých simulací chemických reakcí. .

Konstruktéři kvantových počítačů však stále čelí mnoha problémům. Jedním z takových faktorů je, že kvantové obvody jsou ovlivňovány vnějším nebo dokonce vnitřním šumem, který vzniká z vad materiálů používaných k výrobě počítačů. Tento šum je v podstatě náhodné chování, které může vést k chybám ve výpočtech qubit.

Problém šumu v kvantových výpočtech

Stávající qubity jsou samy o sobě hlučné, ale to není jediný problém. Mnoho návrhů kvantových počítačů má to, čemu se říká statická architektura, kde je každý qubit v procesoru fyzicky svázán se svými sousedy a vlastním čtecím rezonátorem. Vyrobené dráty, které drží qubity pohromadě, a jejich hodnoty je mohou vystavit většímu hluku.

Takové statické konstrukce mají další nevýhodu: nelze je snadno přeprogramovat. Qubity pevné architektury mohou provádět některé související funkce, ale aby počítač mohl provádět širokou škálu úkolů, bude muset přejít na jiný design procesoru s jinou organizací nebo rozložením qubitů. (Představte si, že čip v notebooku měníte pokaždé, když potřebujete použít jiný program, pak mějte na paměti, že čip je třeba udržovat malý na vrchu absolutní nulaa uvidíte, proč to není vhodné.)

Řešení s programovatelným přepínačem

Týmový programovatelný přepínač zabraňuje oběma těmto problémům. Zaprvé zabraňuje pronikání šumu obvodu do systému přes čtecí rezonátor a zabraňuje qubitům ve vzájemné konverzaci, když mají být v klidu.

„To snižuje hlavní zdroj hluku v kvantovém počítači,“ řekl Symonds.

Za druhé, otevírání a zavírání spínačů mezi prvky je řízeno sérií mikrovlnných pulzů vysílaných z dálky, nikoli fyzickými spoji statické architektury. Začlenění více těchto přepínačů by mohlo být základem pro snadno programovatelný kvantový počítač. Mikrovlnné impulsy mohou také specifikovat pořadí a sekvenci logických operací, což znamená, že čip sestavený s mnoha týmovými přepínači může být instruován k provádění libovolného počtu úkolů.

„Tím je čip programovatelný,“ řekl Symonds. „Namísto zcela statického sestavení na čipu můžete provádět změny prostřednictvím softwaru.“

Další výhody a budoucí směry

Poslední výhodou je, že přepínač může také spustit měření obou qubitů současně. Tato schopnost vyžadovat, aby se oba qubity odhalily jako pár, je důležitá pro sledování kvantových výpočetních chyb.

Qubity v této ukázce, stejně jako spínač a čtecí obvod, byly všechny vyrobeny ze supravodivých součástí, které vedou elektřinu bez odporu a musí být provozovány při extrémně nízkých teplotách. Samotný spínač je vyroben ze supravodivého kvantového interferenčního zařízení neboli „SQUID“, které je velmi citlivé na magnetická pole procházející jeho smyčkou. Pohyb mikrovlnného proudu přes blízkou anténní smyčku může v případě potřeby způsobit interakce mezi qubity a čtecím rezonátorem.

V tuto chvíli tým pracoval pouze se dvěma qubity a jedním čtecím rezonátorem, ale Symonds uvedl, že připravují návrh se třemi qubity a dvěma čtecími rezonátory a mají v plánu přidat také další qubity a rezonátory. Další výzkum by mohl poskytnout pohled na to, kolik z těchto zařízení lze propojit, což by mohlo poskytnout způsob, jak vytvořit výkonný kvantový počítač s dostatkem qubitů k vyřešení druhů problémů, které jsou v současné době nepřekonatelné.

Reference: „Silné disperzní parametrické transformace ve staticky diskrétním systému QED se dvěma qubitovými dutinami“ od T. Noh, Z. Xiao, XY Jin, K. Cicak, E. Doucet, J. Aumentado, LCG Govia, L. Ranzani, A Kamal a RW Simmonds, 26. června 2023, k dispozici zde. přírodní fyzika.
DOI: 10.1038/s41567-023-02107-2