Будущее квантовых вычислений — за модульностью

В январе канадская компания по производству квантовых компьютеров Xanadu представила то, что, по её словам, является первым модульным квантовым компьютером. Подход Xanadu использует фотоны в качестве кубитов — это лишь один из многих способов создания квантового эквивалента классического бита. В статье, опубликованной в том же месяце в Nature, исследователи из компании описали, как они соединили 35 фотонных чипов и 13 километров оптического волокна в четырёх серверных стойках, чтобы создать квантовый компьютер Aurora на 12 кубитов. Хотя сегодня существуют квантовые компьютеры с гораздо большим количеством кубитов, Xanadu утверждает, что эта конструкция демонстрирует все ключевые компоненты модульной архитектуры, которую можно масштабировать до миллионов кубитов.

Xanadu — не единственная компания, которая в наши дни уделяет внимание модульности. И IBM, и IonQ начали работу по объединению своих квантовых процессоров, и IBM надеется продемонстрировать модульную систему в конце этого года. А несколько стартапов занимают свою нишу, создавая вспомогательные технологии, необходимые для этого перехода.

Большинство компаний уже давно признали, что модульность является ключом к масштабированию, говорит генеральный директор Xanadu Кристиан Уидбрук, но до сих пор они уделяли приоритетное внимание разработке базовой технологии кубитов, которая считалась более сложной технической задачей. Теперь, когда чипы, пригодные для практического использования, уже на подходе, а самые крупные процессоры содержат более 1000 кубитов, он считает, что фокус смещается.

Однако Aurora недостаточно надёжна для полезных вычислений из-за высоких оптических потерь: фотоны поглощаются или рассеиваются при прохождении через оптические компоненты, что приводит к ошибкам. Xanadu стремится минимизировать эти потери в течение следующих двух лет за счёт разработки более качественных компонентов и оптимизации архитектуры. Компания планирует начать строительство квантового центра обработки данных в 2029 году.

IBM также рассчитывает в этом году достичь важной вехи в области модульных квантовых вычислений. Компания разработала 462-кубитный процессор под названием Flamingo со встроенной квантовой линией связи. Позже в этом году IBM планирует соединить три таких процессора, чтобы создать самый большой квантовый компьютер — модульный или нет — на сегодняшний день.

Однако IBM использует сверхпроводящие кубиты, которые работают на высоких скоростях и относительно просты в изготовлении, но менее удобны для сетей, чем другие квантовые технологии. Эти кубиты работают на микроволновых частотах и поэтому не могут легко взаимодействовать с оптическими коммуникациями, что потребовало от IBM разработки специализированных соединителей для подключения как соседних, так и более удалённых чипов.

IBM также исследует квантовую трансдукцию, которая преобразует микроволновые фотоны в оптические частоты, которые можно передавать по волоконной оптике. Но, по словам Дайала, точность текущих демонстраций далека от требуемой, поэтому трансдукция пока не включена в официальный план развития IBM.

Кубиты на основе захваченных ионов и нейтральных атомов напрямую взаимодействуют с фотонами, что делает оптические сети более осуществимыми. В октябре прошлого года компания IonQ продемонстрировала способность запутывать захваченные ионы на разных процессорах. Фотоны, запутанные с ионами на каждом чипе, проходят по оптоволоконным кабелям и встречаются в устройстве под названием анализатор состояний Белла, где фотоны также запутываются и измеряется их общее состояние. Это приводит к тому, что ионы, с которыми изначально были связаны фотоны, связываются между собой посредством процесса, называемого обменом запутанностью.

По словам Джона Гэмбла, старшего директора по системной архитектуре и производительности в IonQ, для масштабирования этого решения и подключения большого количества квантовых процессоров потребуется много работы. Анализаторы состояний Белла, которые в настоящее время реализованы с использованием оптических компонентов в свободном пространстве, необходимо будет миниатюризировать и изготовить с помощью интегрированной фотоники. Кроме того, оптическое волокно является источником шума, а значит, качество запутанности, создаваемой по этим каналам, относительно низкое. Чтобы решить эту проблему, IonQ планирует генерировать множество слабо запутанных пар кубитов и выполнять операции по преобразованию их в меньшее количество более качественных запутанных состояний. Но достижение достаточно высокого уровня качества запутанных состояний останется сложной задачей.

Французский стартап Welinq решает эту проблему, встраивая квантовую память в свои межсоединения. Генеральный директор Том Даррас говорит, что одна из причин, по которой запутанность в фотонных межсоединениях настолько неэффективна, заключается в том, что два необходимых фотона часто испускаются в разное время, поэтому они «не замечают» друг друга и не запутываются. Добавление памяти создаёт буфер, который помогает синхронизировать фотоны.

«Когда вам нужно, чтобы они встретились, они действительно встречаются, — говорит Даррас. — Эти технологии позволяют нам создавать запутанность достаточно быстро, чтобы она была полезна для распределённых вычислений».

Как только несколько процессоров будут связаны между собой, задача усложнится и будет заключаться в запуске квантовых алгоритмов на них. Именно поэтому Welinq также разработал квантовый компилятор под названием araQne, который определяет, как разделить алгоритм между несколькими процессорами, минимизируя при этом накладные расходы на коммуникацию.

Исследователи из Оксфордского университета недавно совершили прорыв в этой области, впервые убедительно продемонстрировав работу квантового алгоритма на двух взаимосвязанных процессорах. Исследователи выполняли логические операции между двумя кубитами с захваченными ионами на разных устройствах. Кубиты были связаны с помощью фотонной связи, и процессоры выполняли очень простую версию алгоритма поиска Гровера.

Последним кусочком головоломки станет понимание того, как адаптировать схемы исправления ошибок для этого нового модульного будущего. Стартап Nu Quantum недавно продемонстрировал, что распределённое квантовое исправление ошибок не только возможно, но и эффективно.

«Это действительно важный результат, потому что впервые распределённые квантовые вычисления и модульность стали реальной возможностью, — говорит генеральный директор Nu Quantum Кармен Паласиос-Берракеро. — Раньше мы не знали, как сделать это отказоустойчивым способом, будет ли это эффективно и жизнеспособно»

Сообщение Будущее квантовых вычислений — за модульностью появились сначала на Время электроники.