Tutkijat ovat saavuttaneet tärkeän virstanpylvään kvanttilaskennassa: he ovat luoneet modulaarisen järjestelmän, joka koostuu irrotettavista ja uudelleenkonfiguroitavista suprajohtavista kubiteista. Järjestelmä muistuttaa 1990-luvun tietokoneiden klooneja ja lupaa entistä skaalautuvampia ja luotettavampia koneita.
Sisällysluettelo
Tietotekniikan historia on täynnä nostalgisia hetkiä. 1990-luvun puolivälissä tietokoneliikkeet tarjosivat mahdollisuuden koota kloonikoneita osista valitsemalla emolevyn, prosessorin, työmuistin tai näytönohjaimen kunkin käyttäjän tarpeiden mukaan. Tämä käytäntö tuli ilmiöksi: käyttäjät pystyivät päivittämään järjestelmiään korvaamalla viallisen komponentin tai lisäämällä tehoa ilman, että heidän tarvitsi aloittaa alusta . Nykyään sama modulaarisen rakentamisen filosofia voi avata tien seuraavalle suurelle teknologiselle vallankumoukselle: kvanttilaskennalle .
Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin kampuksen tutkijaryhmä on esitellyt uraauurtavan tutkimuksen, jossa ehdotetaan modulaaristen kvanttitietokoneiden kehittämistä. Nämä tietokoneet voidaan yhdistää toisiinsa vaihdettavina osina. Sen sijaan, että luotaisiin valtavia yksiosaisia prosessoreita, tutkimus osoittaa, kuinka suprajohtavien kubittien moduulit voidaan yhdistää irrotettavilla johdoilla ja siirtää kvanttitietoa ennennäkemättömällä tarkkuudella. Nature Electronics -lehdessä julkaistu tutkimus on merkittävä askel kohti skaalautuvien ja uudelleenkonfiguroitavien kvanttitietokoneiden kehittämistä.
Kvanttisen skaalautuvuuden ongelma
Yksi tämän alan suurimmista esteistä on skaalautuvuus pienistä prototyypeistä miljoonien kubittien järjestelmiin, jotka ovat riittävät hyödyllisten laskelmien suorittamiseen salauksessa, materiaalien mallinnuksessa tai tekoälyssä. Yhdestä kiteestä valmistetut monoliittiset rakenteet ovat vaikeasti skaalattavia ja yleensä heikentävät tarkkuutta kubittien määrän kasvaessa.
Artikkelin kirjoittajat selittävät, että ”modulaarinen arkkitehtuuri mahdollistaa tämän ongelman ratkaisemisen Lego-periaatteella, eli kokoamalla, konfiguroimalla uudelleen ja laajentamalla, samalla tavalla kuin nykyaikaisissa klassisissa tietokoneissa”. Vertailu ei ole sattumaa: aivan kuten 1990-luvun kloonit voitiin mukauttaa mihin tahansa tarpeeseen, modulaarinen kvanttitietokone voitaisiin laajentaa lisäämällä aiemmin testattuja moduuleja ja optimoida suorituskykyä laadusta tinkimättä.
Ehdotus perustuu yksinkertaiseen mutta tehokkaaseen periaatteeseen: vaihdettavuus . Jokainen moduuli sisältää omat suprajohtavat kubitit ja voidaan liittää toiseen irrotettavalla koaksiaalikaapelilla. Tämä kaapeli toimii ”kvanttiväylänä”, joka mahdollistaa herätteiden siirtämisen ja kubittien välisen kvantti-entanglementin eri moduuleissa. Keskeistä on varmistaa tämän yhteyden tarkkuus, joka on välttämätöntä kvanttivirheiden korjaamiseksi.
Irrotettava liitin, jonka häviöt ovat alle 1 %
Michaele Mollenhauerin ja Wolfgang Pfaffin johtama ryhmä on kehittänyt liitännän, jossa yhdistyvät suprajohtava koaksiaalikaapeli ja nopea pumppauspiiri . Tämän teknologian avulla he pystyivät toteuttamaan kubitien väliset SWAP-venttiilit alle 100 nanosekunnissa vain 1 %:n virheellä. Artikkelissa todetaan: ”Olemme demonstroineet moduulien väliset SWAP-venttiilit 1 %:n häviöllä alle 100 ns”.
Tämä tulos on erityisen tärkeä, koska se osuu tarkalleen kynnykseen, joka tarvitaan arkkitehtuurin tunnustamiseksi vikaantumattomaksi . Kvanttilaskennassa noin 1 %:n virhe operaatioissa on vähimmäisvaatimus virheenkorjauskoodien tehokkaalle toiminnalle. Tähän asti useimmat yritykset yhdistää moduuleja ovat johtaneet paljon suurempiin häviöihin – noin 15 %.
Tutkijat havaitsivat myös, että he voivat sekoittaa eri moduulien kubitit 97,4 %:n tarkkuudella, mikä on verrattavissa yhden sirun sisäisiin operaatioihin. Tämä tarkoittaa, että käytännössä moduulien välinen fyysinen etäisyys ei ole enää ylitsepääsemätön rajoitus . Järjestelmä on myös uudelleenkonfiguroitavissa: kaapeli voidaan irrottaa ja kytkeä uudelleen ilman, että suorituskyky heikkenee pysyvästi.
Kloonien logiikka sovellettuna kvanttiaikaan
1990-luvulla modulaarisuus mullisti kotitietokoneet. PC-kloonit voitiin mukauttaa erilaisiin budjetteihin ja tarpeisiin, mikä antoi edistyneemmille käyttäjille mahdollisuuden räätälöidä koneensa osissa. Tavallaan Illinoisin tiimin ehdotus tarjoaa saman kvanttilaskennalle: joustavat, päivitettävät ja skaalautuvat koneet, jotka eivät ole riippuvaisia yhdestä suljetusta lohkosta.
Pfaff selittää tämän selkeästi tutkimuksessaan: ajatuksena on luoda järjestelmä, joka voidaan koota, purkaa ja koota uudelleen säilyttäen samalla erittäin korkea laatu. Tämä mahdollistaa komponenttien itsenäisen testaamisen, vikojen havaitsemisen ennen niiden integrointia ja korvaamisen menettämättä aiemmin tehtyä työtä. Pohjimmiltaan kyse on kloonattujen tietokoneiden filosofiasta, joka on siirretty kvanttitodellisuuteen.
Rinnakkaisuus menee vielä pidemmälle. Aivan kuten 1990-luvulla videokorttien tai kiintolevyjen laatu vaihteli, mikä mahdollisti luotettavimpien komponenttien valinnan, kvanttimoduulit voidaan valmistaa, testata erikseen ja kytkeä vain, jos ne täyttävät tarkkuusstandardit . Näin ollen laitteen kokonaisteho ei riipu kunkin komponentin täydellisyydestä, vaan niiden tehokkaasta integroinnista.
Kubitit, tarkkuus ja kvanttiventtiilit
Tämän saavutuksen merkityksen ymmärtämiseksi on hyödyllistä tarkastella joitakin keskeisiä käsitteitä. Kubitit ovat kvanttitiedon perusyksiköitä. Toisin kuin klassiset bitit, jotka voivat olla vain nolla tai yksi, kubitti voi olla superpositio molemmissa tiloissa. Tämä avaa tien paljon tehokkaampaan laskentaan, mutta tuo myös mukanaan suurta haavoittuvuutta: pienikin häiriö voi aiheuttaa virheitä.
Tästä syystä tutkijat mittaavat jatkuvasti käyttötarkkuutta. 100-prosenttinen tarkkuus tarkoittaa virheettömyyttä, mikä ei ole vielä saavutettavissa. Käytännössä tavoitteena on ylittää 99 %, jotta virheiden korjaus tekisi järjestelmästä toimivan. Illinoisin tiimi on saavuttanut 99 %:n tarkkuuden moduulien välisissä SWAP-porteissa, mikä nostaa heidän ehdotuksensa eturiviin.
SWAP-venttiilien käytön lisäksi tutkijat ovat osoittaneet mahdollisuuden luoda kvanttinen sekavuus eri moduuleissa sijaitsevien kubittien välillä , mikä on välttämätön edellytys hajautettujen kvanttiverkkojen rakentamiselle. Kuten artikkelissa todetaan, ”Tämä kaavio mahdollistaa erittäin tarkan sekavuuden luomisen ja hajautetun loogisen kubitin käytön”. Tämä tarkoittaa, että tulevaisuudessa useat modulaariset laitteet voivat toimia yhdessä yhtenä logisena prosessorina.
Tulevaisuuden näkymät
Lupaavista tuloksista huolimatta vakavia ongelmia on edelleen. Itse kirjoittajat myöntävät, että liittimen mekaanista rakennetta on parannettava, jotta sen vaikutus kubittien koherenssiin vähenee. Testien aikana koherenssiaika (aika, jonka kuubi säilyttää kvanttitilansa) oli hieman lyhyempi kuin tyypillisesti laitteissa, joissa ei ole irrotettavia kaapeleita. Kokeiden toistettavuus osoitti kuitenkin järjestelmän luotettavuuden ja liittimien moninkertaisen kokoamisen ja purkamisen mahdollisuuden korkean suorituskyvyn säilyessä.
Tämän arkkitehtuurin potentiaali ulottuu tämän tutkimuksen kubitteja vastaavan tyyppisten transmoneiden ulkopuolelle. Artikkelin mukaan ”meidän kaavamme ei vaadi muita kaavaelementtejä kuin kuutioiden oman epälineaarisuuden, mikä tekee siitä sovellettavan myös muihin tyyppeihin”. Tämä tarkoittaa, että ehdotus voidaan laajentaa uusiin teknologioihin, kuten fluxion-kuutioihin, tai jopa hybridijärjestelmiin, jotka yhdistävät erilaisia kvanttilaitteita.
Lähitulevaisuudessa tutkijat aikovat yhdistää useamman kuin kaksi moduulia säilyttäen samalla mahdollisuuden virheiden tarkistamiseen ja verkon uudelleenkonfigurointiin. Tavoitteena on luoda hajautettuja prosessoreita, jotka voidaan kloonitietokoneiden tavoin skaalata osissa ja saavuttaa monoliittisilla rakenteilla saavuttamaton teho.
