Kvanttisiru reitittimellä ja tehokkaalla virheenkorjauksella

UChicago Pritzker School of Molecular Engineeringin (UChicago PME) tutkijat ovat toteuttaneet uuden suunnittelun suprajohtavalle kvanttiprosessorille, jonka tavoitteena on mahdollistaa arkkitehtuuri kvanttivallankumouksen vaatimille laajamittaisille ja kestäville laitteille.

Toisin kuin tyypillisessä kvanttisirusuunnittelussa, jossa tiedonkäsittelyn kubitit asetetaan 2D-verkkoon, Cleland Labin tiimi on suunnitellut modulaarisen kvanttiprosessorin, joka sisältää uudelleenkonfiguroitavan reitittimen tietynlaisena keskittimenä. Tämä mahdollistaa minkä tahansa kahden kubitin yhdistämisen ja lomittumisen, kun vanhemmassa järjestelmässä kubitit saattoivat kommunikoida vain niitä fyysisesti lähimpänä oleville kubiteille.

Klassisista tietokoneista inspiraation saaneet suunnitteluryhmät klusteroivat kubitit keskusreitittimen ympärille samalla tavalla kuin tietokoneet keskustelevat keskenään keskitinverkon kautta.

Kvantti "kytkimet" voivat yhdistää ja irrottaa minkä tahansa kubitin muutamassa nanosekunnissa, mikä mahdollistaa korkean tarkkuuden kvanttiporttien ja kvanttilomittumisen generoinnin-luomisen, joka on kvanttilaskennan ja -viestinnän perusresurssi.

"Periaatteessa reitittimien kautta yhdistettävien kubittien lukumäärää ei ole rajoitettu", sanoi UChicago PME Ph.D. ehdokas Xuntao Wu. "Voit yhdistää enemmän kubitteja, jos haluat enemmän prosessointitehoa, kunhan ne mahtuvat tietylle jalanjäljelle."

Google Quantum AI:n tutkijat ja yhteistyökumppanit ovat puolestaan kehittäneet kvanttiprosessorin, jonka virhesuhteet pienenevät asteittain, kun kubittien määrä kasvaa.

Tämä saavutus on virstanpylväs kvanttivirheen korjauksessa, koska se voisi periaatteessa johtaa rajattomasti kubitin laadun paranemiseen ja lopulta kvanttitietokoneiden suorittamien algoritmien pituuden ja monimutkaisuuden rajoittamattomaan lisäykseen.

Vuonna 2023 Newman ja kollegat Google Quantum AI:stä osoittivat, että pintakoodiksi kutsuttu virheenkorjauskoodi teki melkein mahdolliseksi "voiton" virheenkorjauksessa lisäämällä järjestelmään fyysisiä kubitteja.

Uusimmassa työssä Hartmut Neven ja kollegat esittelevät suprajohtavan kvanttiprosessointisirun uusimman sukupolven Willow-arkkitehtuurin, joka pystyy korjaamaan kvanttivirheitä tietyn kvanttivirheenkorjaustavan eli pintakoodin kriittisen kynnyksen alapuolella. Heidän järjestelmää käytetään jopa miljoona jaksoa useiden tuntien aikana, samalla kun se purkaa virheet reaaliajassa ja ylläpitää suorituskykyään.

Kirjoittajat suorittavat pintakoodeja 72 kubitin prosessorilla ja 105 kubitin prosessorilla. Joka kerta kun koodin etäisyyttä kasvatetaan 3:sta 5:een ja 7:ään, looginen virhesuhde puolittuu.

Tämä loogisten virheiden eksponentiaalinen tukahduttaminen muodostaa perustan suuren mittakaavan kvanttialgoritmien suorittamiselle virheenkorjauksella, tutkijat päättelevät.

Aiheista aiemmin:

Kvanttitietotekniikan maali on jo tähtäimessä

Suprajohdekubitteja kolmessa ulottuvuudessa

Kubitti, jossa on sisäänrakennettu virheenkorjaus

Virheiden osoittaminen tehostaa kvanttilaskentaa