Защо е толкова сложно създаването и на най-опростения квантов компютър: втора част

Оригиналът е на Richard Versluis

8
1552

Продължаваме да разглеждаме използвания към днешен ден модел за създаване на възможно най-опростения квантов компютър. Препоръчва се запознаването с първата част на материала.

Слоят за аналогова обработка създава различните видове сигнали, които се подават на кубитите, намиращи се едно ниво по-надолу. Тези импулси имат точно определени нива на напрежение, както и пикове от микровълнови импулси, модулирани по фаза и амплитуда, с помощта на които се извършват необходимите операции с кубитите. Тези операции се извършват от обединените заедно кубити, формиращи квантови логически елементи, използвани за необходимите изчисления в рамките на съответния квантов алгоритъм.

Блокова схема на съвременния квантов компютър. Дали ще трябва поялник?

Въпреки че генерирането на подобен сигнал не е сложно, възникват значителни препятствия когато се налага едновременното и точно управление на голям брой сигнали, необходими за практическото използване на реалния квантов компютър. Първо, сигналите, подавани на различните кубити трябва да бъдат синхронизирани с точност до пикосекунда. Не е много лесно да се опише колко малък е този период от време. Така например, самолет, летящ със скорост 800 км/ч, за една пикосекунда ще се придвижи само с една милионна част от милиметъра. Второ, необходим е някакъв надежден метод за подаване на тази сигнали към различните кубити, за да могат те да бъдат заставени да извършват някакви действия. Това е един наистина сериозен проблем.

В съвременните сравнително малки квантови компютри, в които има само няколко кубита, всеки кубит е настроен на някаква собствена честота. Нека си представим, че кубитът е нещо като радиоприемник, който може да улавя само един предавател. По този начин може да се подават данни на всеки кубит, като се използва неговата уникална честота. Този подход работи много добре, но тази стратегия не дава възможност за мащабиране на квантовия компютър.

Квантовият модул на компютъра D-Wave

Причината е, че сигналите, подавани на всеки кубит, трябва да имат разумна честотна лента – да кажем, с ширина 10 MHz. Ако един квантов компютър има един милион кубита, то за подобна система ще е необходима пропускателна способност от 10 THz, което засега не е възможно. Невъзможно е и да се изградят милиони отделни комуникационни линии, за да може всеки кубит да получи необходимите команди.

Най-вероятното решение на този проблем е съчетаването на честотното и пространственото мултиплексиране – тоест, уплътняване на канала. Кубитите ще се изготвят на групи, като всеки кубит в дадена група ще работи със собствена честота. Квантовият компютър ще има голям брой подобни групи, включени към аналоговия модул, който ще генерира сигнали по групи. По този начин става възможно манипулирането на всеки конкретен кубит, без да се оказва влияние на останалите.

Мултиплексиране

Този подход навярно ще работи, но мултиплексирането на аналогов сигнал си има своята цена: неточност на управлението. Сега се работи именно върху намаляването на тази неточност.

В съвременните квантови системи цифровият и аналоговият слой работят при стайна температура. Но следващият слой за квантова обработка, който всъщност съдържа кубитите, е с температура близка до абсолютната нула. И с увеличаване броя на кубитите в бъдещите квантови компютри, и трите слоя ще образуват един общ криогенен чип.

Няколко компании вече предлагат предварителни прототипи на подобни криогенни чипове, базирани на свръхпроводящи кубити. Тези системи съдържат максимум до няколко десетки кубита и могат да изпълняват от десетки до няколко стотици кохерентни квантови операции. Към този подход се придържат технологичните гиганти Google, IBM и Intel.

С увеличаване на линиите за управление, специалистите могат да разширят сега съществуващите квантови архитектури до няколко стотици кубита, но не повече – това е максимумът. Кубитите остават кохерентни – тоест, квантово заплетени,  за съвсем картко време – към днешен ден то е около 50 микросекунди. Това ограничава броя на квантовите операции, които могат да бъдат извършени преди да се натрупа огромна погрешност.

D-Wave вече се използва в борбата с новия коронавирус

Като се вземат предвид тези ограничения, основното предназначение на квантовите компютри с няколко стотици кубита, е те да се използват като усилватели на днешните конвенционални суперкомпютри. Идеята е задачите, с които квантовия компютър работи изключително бързо, да бъдат подавани от суперкомпютър към квантовия компютър, а получените резултати да бъдат върнати на суперкомпютъра за окончателна обработка.

Предлага се и използването на квантов компютър като видеокарта в обикновения персонален компютър. Той може да обучава невронни мрежи и да рендира изображенията много по-бързо от обикновения графичен процесор.

Квантовият компютър на IBM работи с 50 кубита

Очаква се следващият етап на развитието на квантовите компютри да не е особено сложно. Нивото за цифрова обработка може да се подобри. Но да се вмъкнат трите изброени по-горе слоя, които образуват QPU (quantum processing unit) – блока за квантова обработка на данните, няма да е лесно.

Проблемът е, че съвременните технологии не дават възможност за получаването на напълно еднородни кубити и различните кубити имат малко по-различни свойства. Тази нееднородност изисква адаптация на аналоговия слой на QPU по отношение на конкретните кубити, с които този блок работи. Това усложнява изграждането на качествени QPU.

При изграждането на квантови компютри с няколко стотици кубити, ще се изисква сложно мултиплексиране и според прогнозите и анализите, големите компании ще успеят да създадат подобни системи след около 5 години. Но само ако успеят да решат проблема с корекцията на грешките. Основната идея на тази корекция не е сложна – данните да се съхраняват в един логически кубит – голям брой физически кубити се обединяват в един логически кубит, като част от тези физически кубити се използват за корекция на грешките.

Чипът на D-Wave със 128 кубита. Не може да се използва за създаването на пълноценен квантов компютър, понеже може да извършва ограничен брой изчисления

Тази квантова корекция на грешките може да реши фундаменталния проблем за декохеренцията, само че за постигането на този ефект са необходими от 100 до 1000 физически кубита обединени в един логически кубит. И това не е единственото препятствие. Този тип корекция на грешките изисква линия на обратната връзка с висока пропускателна способност и ниска латентност, която обхваща и трите нива на QPU.

На практика всички лаборатории за квантова технология усилено работят и експериментират със свръхпроводящи системи, спинови кубити, фотонни системи, йонни капани и други подобни, за да разберат кое е най-удачното са създаването на логически кубити. Независимо кой метод ще се окаже най-добър, вече е ясно, че че ще трябва да се изградят блокове от стотици хиляди и дори милиони физически кубити.

Криопроцесоът на Intel

И това ни води до главния въпрос: дали наистина е възможно да се направи това? Милиони кубити трябва да бъдат контролирани чрез непрекъснат поток от аналогови сигнали. Това е сложно, но в никакъв случай не е невъзможно. Изследователите пресметнаха, че дори десеторното намалявана нееднородността на кубитите, значително ще опрости конструкцията на аналоговия слой. Тези бъдещи QPU няма да изискват милиони цифрови връзки, а само няколко стотици или най-много хиляди. Това вече може да бъде направено със съвременното ниво на проектиране и производство на чипове.

Очевидно е, че следващата стъпка в изграждането на квантови компютри ще бъде въвеждането на поне елементарни начини за корекция на грешките. Засега има два паралелни начина на развитие на квантовите компютри – единият с корекция на грешките, а другият – без корекция. Но е ясно, че квантовите компютри с корекция на грешките в крайна сметка ще започнат да доминират, понеже просто няма друг път за създаване на квантова машина, която може да изпълнява реални задачи.

За да се постигне това, специалистите по проектиране на чипове, инженерите по технология на интегралните схеми, специалистите по криогенен контрол, експертите в областта на обработка на големи масиви данни и други експерти и специалисти, трябва да работят съвместно. Към днешен ден това е единственият начин за изграждане на квантов компютър, който може да се използва в ежедневната работа.

0 0 глас
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
8 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари