Modularny procesor kwantowy działa jak układanka
Tradycyjne komputery kwantowe budowano jak gigantyczne, jednolite procesory, gdzie wszystkie kubity musiały znaleźć się na jednym chipie. Nowe rozwiązanie opracowane na University of Illinois Urbana-Champaign proponuje zupełnie inne podejście. Chodzi o system składający się z niezależnych modułów połączonych nadprzewodzącymi kablami koncentrycznymi.
Budowanie komputera kwantowego jako pojedynczego, zunifikowanego urządzenia okazuje się niezwykle trudne, ponieważ maszyny te zależą od manipulowania milionami kubitów, a złożenie tak dużej liczby w jeden system jest dużym wyzwaniem – wyjaśniają członkowie zespołu badawczego
Czytaj też: Klasyczna statystyka dociera tam, gdzie nie sięgnął Einstein. Reguła Bayesa teraz działa w świecie kwantów
Zespół Wolfganga Pfaffa stworzył system, w którym każdy moduł może funkcjonować samodzielnie, ale również współpracować z pozostałymi. To rozwiązanie rodzi jednak pytanie: czy takie połączenie nie pogarsza wydajności całego systemu? Modularna architektura eliminuje kilka kluczowych ograniczeń dotychczasowych rozwiązań. W przypadku awarii nie trzeba wymieniać całego systemu, ponieważ wystarczy zamienić uszkodzony moduł. To znacznie ułatwia zarówno serwisowanie, jak i przyszłe modernizacje. Pfaff tłumaczy główną ideę stojącą za tym podejściem:
Czy mogę zbudować system, który da się połączyć, umożliwiając wspólną manipulację dwoma kubitami w celu stworzenia splątania lub operacji bramkowych między nimi? Czy możemy to zrobić z bardzo wysoką jakością? I czy możemy również sprawić, by można go było rozłożyć i ponownie złożyć?
Wysoka wydajność pomimo modularności
Najważniejszym osiągnięciem okazała się wierność bramki SWAP na poziomie około 99%. W świecie komputerów kwantowych, gdzie każdy błąd może zniweczyć całe obliczenia, taki wynik budzi pewne zdumienie. System osiąga wydajność SWAP między modułami w czasie krótszym niż 100 nanosekund dzięki szybkiemu schematowi pompowania. Wskaźnik błędów operacji między urządzeniami wynosi około 1%, co stawia tę technologię na progu odporności na błędy. To imponujące, choć warto pamiętać, że w praktyce przemysłowej nawet tak niski poziom błędów może stanowić wyzwanie.
System demonstruje zdolność do generowania splątania kwantowego o wysokiej wierności oraz obsługi rozproszonego logicznego kubitu dual-rail. To kluczowe funkcje dla przyszłych zastosowań, od zaawansowanej kryptografii po symulacje molekularne. Badacze wykazali, że ich układ może skutecznie manipulować kubitami znajdującymi się w różnych modułach, jakby stanowiły część jednego urządzenia. To otwiera teoretyczną możliwość budowy systemów o dowolnej skali, choć na razie testy ograniczają się do połączeń dwumodułowych.
Nowatorska architektura szansą na przyszłość
Modularna architektura sugeruje nowy sposób myślenia o komputerach kwantowych. Zamiast dążyć do tworzenia coraz większych monolitycznych procesorów, inżynierowie mogliby łączyć mniejsze, sprawdzone moduły. Główne zalety tego podejścia to lepsza skalowalność, łatwiejsze wprowadzanie ulepszeń sprzętowych, odporność na niespójności oraz możliwość rekonfiguracji. Brzmi obiecująco, lecz w praktyce każde dodatkowe połączenie między modułami to nowe potencjalne źródło błędów.
Zespół koncentruje się teraz na połączeniu więcej niż dwóch urządzeń jednocześnie, przy zachowaniu możliwości wykrywania błędów. Pfaff przyznaje, że to dopiero początek długiej drogi:
Mamy dobrą wydajność. Teraz musimy to przetestować i zapytać, czy to naprawdę idzie naprzód? Czy to naprawdę ma sens?
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Electronics. Modularne komputery kwantowe mogą stać się kluczem do praktycznych zastosowań tej technologii, choć na realne wdrożenia przemysłowe przyjdzie nam jeszcze poczekać. To krok w dobrą stronę, lecz wciąż daleki od finalnego rozwiązania wszystkich problemów kwantowych obliczeń.