logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Łączenie kropek (kwantowych): architektura 2D krzemowych komputerów kwantowych

ghost666 25 Sty 2022 08:30 1086 5
  • Komputery kwantowe wykorzystują prawa fizyki do przetwarzania większych ilości danych znacznie szybciej niż klasyczne urządzenia. Podstawowe jednostki, bity kwantowe (lub kubity) istnieją równolegle w dwóch stanach, co umożliwia jednoczesne przesiewanie ogromnej liczby potencjalnych wyników. Kubity na bazie krzemu są bardzo atrakcyjne względem potencjalnego zastosowania w komputerach kwantowych, ponieważ są kompatybilne z dobrze znanymi procesami masowej produkcji układów scalonych w branży półprzewodników. Jednak zwiększenie liczby kubitów staje się przeszkodą w budowie komputerów kwantowych na dużą skalę. Chociaż zademonstrowano już małe macierze, nadal brakuje praktycznego projektu, który skaluje się względem wymagań, przy których przewyższany jest klasyczny komputer.

    Wąskim gardłem w rozwoju większych komputerów kwantowych jest problem rozmieszczenia kubitów. Wydajne algorytmy kwantowe wymagają macierzy 2D, w których kubity mogą wchodzić w interakcje ze swoimi sąsiadami i być dostępne dla zewnętrznych obwodów i urządzeń. Każdy bit kwantowy wymaga dedykowanych linii do sterowania i odczytu oraz niewielkiego odstępu, zazwyczaj dziesiątek nanometrów, między dwoma jednostkami. Dlatego zwiększenie liczby kubitów utrudnia dostęp do bitów kwantowych w środku tablicy. „Proponujemy eleganckie rozwiązanie tego wyzwania: dwuwymiarowy projekt kubitów krzemowych, w którym każda jednostka łączy się z czterema innymi” — wskazuje Bogdan Govoreanu, kierownik programu obliczeń kwantowych w firmie imec. „Taka architektura zapewnia kompaktową macierz, w której różne mechanizmy sprzęgania bitów kwantowych są konsolidowane, aby uzyskać ogólną łączność względem czterech innych kubitów, dla każdej jednostki w tablicy dwuwymiarowej”.

    Łączenie kropek (kwantowych): architektura 2D krzemowych komputerów kwantowych
    Rys.1. Mapowanie kwadratowej sieci 2D na równoważny układ dwuliniowy. Naprzemienne rzędy kubitów są przesuwane do dwóch macierzy 1D. Interakcja wymiany ogniskuje bity kwantowe w tej samej macierzy 1D, podczas gdy rezonatory łączą je między tablicami 1D („połączenie fotoniczne”).


    Rozwiązywanie problemu z łącznością kubitową

    „Nasz projekt opiera się na mapowaniu topologicznym kwadratowej sieci 2D w celu utworzenia tak zwanego projektu dwuliniowego, w którym naprzemienne rzędy sieci są przesuwane w dwa szeregi — dwie macierze 1D [patrz rysunek 1 — przyp.red.]”, objaśnia Govoreanu. „Układając kubity w dwóch rzędach zawsze pozostają one adresowalne, zachowując docelową łączność czterech w równoważnej kwadratowej macierzy 2D. Macierze te są również łatwo skalowalne, ponieważ musimy je powiększać tylko w jednym wymiarze — wzdłuż wierszy. Połączenia między dwiema matrycami 1D nie przecinają się. Gdyż są: „okablowane” w dwóch różnych płaszczyznach, oddzielonych płaszczyzną masy, aby odizolować je od siebie [patrz rysunek 2]”.

    W tej architekturze każdy kubit odpowiada orientacji spinu elektronu zamkniętego w studni potencjału, zwanej kropką kwantową. Sprzężenie tych jednostek jest niezbędne do: „splątania kwantowego”, właściwości, która leży u podstaw osiągania wykładniczej mocy obliczeniowej przez komputery kwantowe. Splątane kubity przechowują wszystkie możliwe kombinacje stanów kwantowych każdej jednostki (np. dla dwóch kubitów daje to cztery wartości). Kropki kwantowe w macierzy jednowymiarowej są sprzężone poprzez interakcję spinową między elektronami w niedalekich kropkach kwantowych. Dzięki czemu pobliskie spiny elektronów naturalnie oddziałują poprzez proces kwantowomechaniczny, zwany sprzężeniem wymiennym. Kropki kwantowe między macierzami 1D są powiązane z kolei na dużą odległość (rzędu milimetrów) za pomocą rezonatora mikrofalowego, wykonanego z materiałów nadprzewodzących. Tak duży zasięg jest możliwy, ponieważ stan kubitu może być sprzężony z modem fotonicznym rezonatora, gdy elektron kubitowy jest zdelokalizowany między dwiema kropkami kwantowymi.

    Łączenie kropek (kwantowych): architektura 2D krzemowych komputerów kwantowych
    Rys.2. Schemat rezonatorów łączących kubity między macierzami 1D. Rezonatory są umieszczone w osobnych warstwach izolowanych płaszczyznami masy, aby uniknąć przesłuchu. Przesłuch między rezonatorami w tej samej warstwie jest minimalizowany poprzez zastosowanie odpowiednich odstępów.


    Tolerowanie błędów

    Stany kwantowe są bardzo delikatne i podatne na zakłócenia. Dlatego budowa dużego komputera kwantowego nie polega tylko na zwiększaniu liczby kubitów; chodzi też o to, jak bardzo są one odporne na zakłócenia. Ponieważ komputery kwantowe nie mogą stosować tych samych algorytmów eliminacji niedociągnięć, co urządzenia klasyczne, bazują na technikach korekcji błędów kwantowych przy wsparciu: „logicznych kubitów”. Tj. złożonego układu tysięcy fizycznych kubitów, które są używane do kodowania pojedynczej jednostki. „Nasz projekt jest zgodny z powszechnie akceptowanym schematem korekcji błędów kwantowych, kodem powierzchniowym, który może uruchamiać algorytmy tolerujące pewne uchybienia w architekturze” — oznajmił Govoreanu. „Uważa się, że typowa liczba fizycznych bitów kwantowych do zaimplementowania kubitów logicznych wynosi od 10^3 do 10^4, w zależności od jakości fizycznych jednostek” — dodał. „Do uruchomienia praktycznych algorytmów na dużą skalę potrzebne są setki, a nawet tysiące logicznych bitów kwantowych. Co oznacza, że ogólna liczba fizycznych kubitów może przekroczyć milion. W naszym artykule scharakteryzowaliśmy odpowiednie zasoby kwantowe potrzebne do realnej korekcji błędów, a także dostarczyliśmy szczegółową analizę wymaganych wymiarów urządzenia, specyfikację tolerowanego szumu i czasy działania bramki kwantowej w strukturze [patrz rysunek 3]. Architektura dwuliniowa potrzebuje niezwykle kompaktowego obszaru logiki kwantowej o wielkości około 36 mm2, nawet w przypadku systemu z milionem kubitów. Co więcej, rezonatory i bramki elektrostatyczne określające kropki kwantowe są łatwo dostępne z obu stron układu dwuliniowego, co znacznie zmniejsza złożoność ścieżek w strukturze. Dodatkowo projekt ten jest zgodny z obecnymi technologiami wytwarzania CMOS i może w ten sposób otworzyć drogę do przyszłej ekspozycji wielkoskalowych krzemowych komputerów kwantowych” — podsumował Govoreanu.

    Łączenie kropek (kwantowych): architektura 2D krzemowych komputerów kwantowych
    Rys.3. Zestawienie wyników skalowania elementów kwantowych i liczby kubitów. Dla systemu z milionem kubitów potrzebne będzie jedynie 36 mm2, co pokazuje, jak kompaktowa jest nowa architektura.


    Źródło: https://www.eeweb.com/connecting-the-quantum-dots-a-bilinear-2d-device-architecture-for-large-scale-silicon-based-quantum-computers/
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2 19843384
    Konto nie istnieje
    Poziom 1  
  • #3 19844310
    Nepto
    Poziom 19  
    spec220 napisał:
    To też jest ciekawe, jak i "zagmatwane filozoficznie" bo co niby będzie prowadzić tą korekcję błędów? Bo jeżeli ta sama architektura rdzenia, to pytanie ile zasobów zużyje owy algorytm tej korekcji i jak sam z siebie będzie podatny na własne błędy?

    To jest kwantowy analog kodów korekcyjnych - w klasycznym kanale komunikacyjnym też nie wiemy, które bity są po odebraniu poprawne a które błędne, ale dzięki redundancji możemy "wrócić" do pierwotnego, poprawnego stanu.
    I tak, potrzeba dużo kubitów fizycznych do zaimplementowania jednego kubitu logicznego, w artykule jest nawet napisane, że przelicznik to na razie 1000 - 10000 fizycznych kubitów na jeden kubit logiczny.
  • #4 19844505
    Konto nie istnieje
    Poziom 1  
  • #5 19844638
    Nepto
    Poziom 19  
    spec220 napisał:
    a tu mowa o kwantowej korekcji błędów która sama w sobie jest jeszcze licho stabilna...

    Nie bardzo rozumiem. Niestabilne są same kubity, algorytm korekcji jak algorytm, po prostu działa o ile dane wejściowe są w zakresie możliwym do korekcji.
    spec220 napisał:
    "bitspiny" których migrację pomiędzy kubitami mają zagwarantować "niby" stabilne rezonatory. Spin uwolniony z pola elektrycznego kubitowej "klatki" pod wpływem energii rezonansu może migrować do innego określonego kubitu...

    Spin to właściwość elektronu a "klatki" służą utrzymaniu elektronów w odpowiednich miejscach, tak aby mogły na siebie oddziaływać (i przez to zmieniać amplitudy przy kombinacjach ustawień spinów) dzięki splątaniu stanów.

    spec220 napisał:
    Nie lepiej pójść w inny rodzaj rdzenia? tj. pisałem wcześniej np. diament?

    Nie rozumiem, do czego ten diament miałby być tu użyty? Do robienia kropek kwantowych?

    Co do reszty Twoich wątpliwości, to weź pod uwagę, że to ciągle raczkująca technologia, więc trudno porównywać jej koszt z technologiami doskonalonymi od 50 lat.
    Jednak możliwość uzyskania przełomu w możliwościach obliczeniowych jest kusząca, bo da przewagę gospodarczą, technologiczną i militarną, więc to bardzo gorący temat i mnóstwo pieniędzy na to idzie.
  • #6 19844851
    Konto nie istnieje
    Poziom 1  
REKLAMA