Zařízení umožňuje přímou komunikaci mezi více kvantovými procesory

Kvantové počítače mají potenciál řešit komplexní problémy, které by pro nejvýkonnější klasické superpočítače byly neřešitelné.

Stejně jako klasický počítač má oddělené, ale propojené komponenty, které musí spolupracovat, například paměťový čip a CPU na základní desce, i kvantový počítač bude muset komunikovat kvantové informace mezi více procesory.

Současné architektury používané k propojení supravodivých kvantových procesorů jsou z hlediska konektivity „bod-bod“, což znamená, že vyžadují sérii přenosů mezi uzly sítě a s rostoucí chybovostí.

Na cestě k překonání těchto výzev vyvinuli výzkumníci z MIT nové propojitelné zařízení, které podporuje škálovatelnou, „vše-vše“ komunikaci, takže všechny supravodivé kvantové procesory v síti mohou vzájemně přímo komunikovat.

Vytvořili síť dvou kvantových procesorů a použili své propojení k odesílání mikrovlnných fotonů tam a zpět na vyžádání v uživatelem definovaném směru. Fotony jsou částice světla, které mohou přenášet kvantové informace.

Zařízení zahrnuje supravodivý vodič, nebo vlnovod, který dopravuje fotony mezi procesory a může být směrován tak daleko, jak je potřeba. Výzkumníci k němu mohou připojit libovolný počet modulů a efektivně přenášet informace mezi škálovatelnou sítí procesorů.

Toto propojení použili k prokázání vzdáleného provázání, typu korelace mezi kvantovými procesory, které nejsou fyzicky propojeny. Vzdálené provázání je klíčovým krokem k vývoji výkonné, distribuované sítě mnoha kvantových procesorů.

„V budoucnu bude kvantový počítač pravděpodobně potřebovat jak lokální, tak nelokální propojení. Lokální propojení je přirozené v polích supravodivých qubitů. To naše umožňuje více nelokálních spojení. Můžeme vysílat fotony na různých frekvencích, časech a ve dvou směrech šíření, což dává naší síti větší flexibilitu a propustnost,“ říká Aziza Almanakly, postgraduální studentka elektrotechniky a informatiky ve skupině Engineering Quantum Systems výzkumné laboratoře elektroniky (RLE) a hlavní autorka článku o propojení.

Mezi její spoluautory patří Beatriz Yankelevich, postgraduální studentka ve skupině EQuS; vedoucí autor William D. Oliver, profesor elektrotechniky a informatiky (EECS) a profesor fyziky, ředitel Centra pro kvantové inženýrství a zástupce ředitele RLE; a další z MIT a Lincoln Laboratory. Výzkum vyšel dnes v časopise Nature Physics.

Škálovatelná architektura

Výzkumníci předtím vyvinuli modul kvantového výpočtu, který jim umožnil odesílat mikrovlnné fotony nesoucí informace v obou směrech podél vlnovodu.

V nové práci posunuli tuto architekturu o krok dále tím, že k vlnovodu připojili dva moduly za účelem vysílání fotonů ve vybraném směru a jejich následné absorpce na druhém konci.

Každý modul se skládá ze čtyř qubitů, které slouží jako rozhraní mezi vlnovodem nesoucím fotony a většími kvantovými procesory.

Qubity spojené s vlnovodem emitují a absorbují fotony, které jsou poté přeneseny do blízkých datových qubitů.

Výzkumníci používají sérii mikrovlnných pulsů k přidání energie do qubitu, který poté emituje foton. Pečlivé řízení fáze těchto pulsů umožňuje kvantový interferenční efekt, který jim umožňuje emitovat foton v obou směrech podél vlnovodu. Obrácení pulsů v čase umožňuje qubitu v jiném modulu v libovolné vzdálenosti absorbovat foton.

„Házení a chytání fotonů nám umožňuje vytvořit „kvantové propojení“ mezi nelokálními kvantovými procesory a s kvantovými propojeními přichází vzdálené provázání,“ vysvětluje Oliver.

„Generování vzdáleného provázání je klíčovým krokem k vytvoření velkého kvantového procesoru z menších modulů. I když je foton pryč, máme korelaci mezi dvěma vzdálenými, neboli „nelokálními“, qubity. Vzdálené provázání nám umožňuje využít těchto korelací a provádět paralelní operace mezi dvěma qubity, i když již nejsou propojeny a mohou být daleko od sebe,“ vysvětluje Yankelevich.

Přenos fotonu mezi dvěma moduly však nestačí k generování vzdáleného provázání. Výzkumníci musí připravit qubity a foton tak, aby moduly na konci protokolu „sdílely“ foton.

Generování provázání

Tým to udělal tak, že zastavil pulsy emise fotonů v polovině jejich trvání. V kvantově mechanických termínech je foton jak zadržen, tak emitován. Klasicky si lze představit, že polovina fotonu je zadržena a polovina je emitována.

Jakmile přijímací modul absorbuje tuto „polovinu fotonu“, oba moduly se prováží.

Ale když foton cestuje, spoje, svařované dráty a spojení ve vlnovodu deformují foton a omezují účinnost absorpce přijímacího modulu.

Aby bylo možné generovat vzdálené provázání s dostatečně vysokou věrností nebo přesností, museli výzkumníci maximalizovat frekvenci, s jakou je foton absorbován na druhém konci.

„Výzvou v této práci bylo tvarovat foton tak, abychom maximalizovali účinnost absorpce,“ říká Almanakly.

Použili algoritmus posilujícího učení k „předzkreslení“ fotonu. Algoritmus optimalizoval pulsy protokolu tak, aby se foton tvaroval pro maximální účinnost absorpce.

Když tento optimalizovaný protokol absorpce implementovali, dokázali ukázat účinnost absorpce fotonů větší než 60 procent.

Tato účinnost absorpce je dostatečně vysoká, aby se prokázalo, že výsledný stav na konci protokolu je provázaný, což je významný milník v této demonstraci.

„Tuto architekturu můžeme použít k vytvoření sítě s konektivitou vše-vše. To znamená, že můžeme mít více modulů, všechny podél stejné sběrnice, a můžeme vytvořit vzdálené provázání mezi libovolným párem dle našeho výběru,“ říká Yankelevich.

V budoucnu by mohli zlepšit účinnost absorpce optimalizací cesty, po které se fotony šíří, například integrací modulů do 3D místo supravodivého drátu spojujícího samostatné mikrovlnné balíčky. Mohli by také urychlit protokol, aby se snížila pravděpodobnost nahromadění chyb.

„V zásadě může být náš protokol generování vzdáleného provázání rozšířen i na jiné typy kvantových počítačů a větší systémy kvantové sítě,“ říká Almanakly.

Tato práce byla částečně financována z U.S. Army Research Office, AWS Center for Quantum Computing a U.S. Air Force Office of Scientific Research.