6 Minute
Modularitatea întâlnește ingineria cuantică
Inginerii de la Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign, au demonstrat o arhitectură modulară practică pentru procesoarele cuantice supraconductoare care pot fi conectate și reconfigurate cu o fidelitate foarte ridicată. Inginerii au construit componente cuantice modulare care se leagă cu fidelitate aproape perfectă, deblocând sisteme cuantice scalabile și reconfigurabile. Credit: Shutterstock
Conceptul este simplu de descris și greu de realizat în practică: în loc să construiești un procesor cuantic monolitic care conține mii sau milioane de qubiți, asamblezi module mai mici, de înaltă calitate, care pot fi legate între ele la nevoie. Această abordare modulară reflectă modul în care cărămizile LEGO se combină pentru a forma structuri complexe, însă pentru calculatoarele cuantice provocarea este menținerea coerenței cuantice și a controlului precis peste limite fizice.
De ce contează modularitatea pentru scalarea cuantică
Procesoarele cuantice supraconductoare tradiționale, monolitice, se confruntă cu limite legate de randamentul fabricației, managementul termic și complexitatea cablajului. Defecte mici sau variabilitatea într-un cip mare pot degrada performanța generală. Modularitatea abordează aceste probleme permițând cercetătorilor să combine unități optimizate independent, să facă upgrade hardware și să înlocuiască modulele defecte fără a arunca un procesor întreg. Esențial este ca designurile modulare să păstreze fidelitatea porților cuantice și să permită detectarea și corecția erorilor pentru a avansa către funcționarea tolerantă la erori.
În lucrarea publicată în Nature Electronics, echipa din Illinois raportează un sistem supraconductiv modular care leagă dispozitive de qubiți separate folosind cabluri coaxiale supraconductoare. Legăturile permit qubiților de pe module diferite să interacționeze și să execute porți pe doi qubiți cu fidelitate apropiată de cea a operațiunilor on-chip. Fidelitatea raportată pentru poarta SWAP este de aproximativ 99%, ceea ce corespunde unei erori sub 1% pentru operație — un prag care face scalarea modulară mai practică.
Abordare tehnică și rezultate cheie
Cercetătorii au construit două dispozitive supraconductoare independente și le-au conectat cu cabluri coaxiale supraconductoare cu pierderi reduse, care acționează ca interconexiuni cuantice. Prin proiectarea cuplorilor și sincronizarea atentă, au realizat un schimb coerent de stări cuantice între module și au implementat operații SWAP cu fidelitate ridicată. Fidelitatea aici cuantifică cât de bine se potrivește operația cuantică implementată cu operația ideală; o fidelitate de 1.0 ar indica o poartă perfectă, fără erori.
„Am creat o metodă prietenoasă din punct de vedere ingineresc pentru a obține modularitate cu qubiți supraconductori,” a spus Wolfgang Pfaff, profesor asistent de fizică și autor principal al lucrării. El a subliniat necesitatea nu doar de a realiza operații de entanglement de înaltă calitate între module, ci și de a putea demonta și reconfigura sistemele pentru testare și reparații.
Experimentul demonstrează că legăturile bazate pe cablu pot atinge cifre care justifică scalarea: conexiunea prin cablu a păstrat coerența și a livrat interacțiuni de calitate pentru entanglement între module fizice. Aceasta deschide căi pentru construirea de procesoare mai mari prin coaserea modulelor împreună, în loc să se bazeze exclusiv pe cipuri monolitice din ce în ce mai mari.
Implicații pentru toleranța la erori și rețele cuantice
Legăturile modulare cu fidelitate ridicată reprezintă un pas către calculul cuantic tolerant la erori. Toleranța la erori necesită mai multe straturi: qubiți cu timp de coerență lung, porți de un și doi qubiți precise, conectivitate fiabilă între qubiți și detectare și corecție a erorilor robuste. Arhitecturile modulare pot simplifica unele aspecte ale corecției erorilor prin localizarea erorilor la module individuale și permițând înlocuiri hot‑swappable.
În plus, modularitatea bazată pe cabluri informează proiectele pentru rețele cuantice și calcul distribuït cuantic, unde procesoare separate schimbă informație cuantică prin legături. Abordarea completează alte strategii de interconexiuni cuantice, precum legăturile fotonice sau traductoarele microunde‑optice, și poate fi deosebit de avantajoasă pentru platformele supraconductoare.
Opinia expertului
Dr. Maria Hernandez, inginer de sisteme cuantice la un laborator național, a comentat: „Atingerea unei fidelități SWAP de ~99% între module este o etapă semnificativă. Arată că constrângerile practice de inginerie ale interconexiunilor — pierderi, potrivirea impedanței și ancorarea termică — pot fi rezolvate în timp ce se păstrează coerența cuantică. Următoarea provocare este integrarea detectării erorilor și creșterea numărului de module legate fără a introduce cuplaje nedorite sau un overhead de control care să anuleze beneficiile modularității.”
Pași următori și provocări
Echipa din Illinois plănuiește să extindă experimentul pentru a conecta mai mult de două module, menținând în același timp capacitatea de a detecta și corecta erorile. Scalarea va necesita inginerie atentă la nivel de sistem: linii de control multiplexate, ambalare criogenică, interconexiuni cu pierderi reduse și protocoale software pentru programarea porților distribuite și urmărirea erorilor. Cercetătorii vor compara, de asemenea, abordările bazate pe cablu cu alte tehnologii de interconexiune pentru a determina compromisurile optime pentru sisteme cuantice la scară largă.
Concluzie
Procesoarele cuantice supraconductoare modulare conectate prin cabluri coaxiale supraconductoare reprezintă o cale promițătoare către calculatoare cuantice scalabile, reconfigurabile și upgrade‑abile. Prin demonstrarea unei fidelități a porții SWAP aproape de 99% între dispozitive separate, echipa de la Grainger College of Engineering a oferit un plan practic pentru coaserea unor sisteme cuantice mai mari păstrând calitatea porților — un avans important pe drumul către calculul cuantic tolerant la erori.
Sursa: sciencedaily
Comentarii