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”.
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.
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.
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/
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”.
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.
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.
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/
