Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν τη δυνατότητα να λύσουν προβλήματα βελτιστοποίησης και επεξεργασίας δεδομένων που δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν από τους κλασικούς υπολογιστές. Πολλές από τις πιο υποσχόμενες πλατφόρμες κβαντικών υπολογιστών που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα βασίζονται σε υπεραγώγιμα qubits, μικροσκοπικά κυκλώματα από υπεραγώγιμα υλικά.
Παρά την καλή τους απόδοση, οι περισσότεροι υπεραγώγιμοι κβαντικοί επεξεργαστές εξακολουθούν να παρουσιάζουν σημαντικούς περιορισμούς που εμποδίζουν την κλιμάκωση και την πρακτική τους εφαρμογή. Αυτοί περιλαμβάνουν το «frequency crowding» (δηλαδή παρεμβολή μεταξύ πολλών qubits με επικαλυπτόμενες συχνότητες συντονισμού) και δυσκολίες που σχετίζονται με τον έλεγχο ή τη μέτρηση πολλών qubits.
Η έννοια της κατανεμημένης κβαντικής υπολογιστικής
Για να ξεπεράσουν αυτούς τους περιορισμούς, φυσικοί και μηχανικοί εξερευνούν την πιθανότητα υλοποίησης της κατανεμημένης κβαντικής υπολογιστικής, που προϋποθέτει τη σύνδεση πολλών μικρότερων επεξεργαστών ώστε να λειτουργούν ως ένα μεγαλύτερο σύστημα. Αυτό απαιτεί την εγκαθίδρυση των λεγόμενων πυλών σύμπλεξης, δηλαδή εντολών που ενεργούν ταυτόχρονα σε δύο ή περισσότερα qubits και τα συνδέουν μέσω του κβαντομηχανικού φαινομένου της σύμπλεξης.
Ερευνητές από την Beijing Academy of Quantum Information Sciences και την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών παρουσίασαν πρόσφατα μια νέα προσέγγιση για τη δημιουργία υψηλής πιστότητας πυλών σύμπλεξης μεταξύ δύο απομακρυσμένων υπεραγώγιμων κβαντικών επεξεργαστών. Σε πρόσφατο άρθρο στο Physical Review Letters ανέφεραν την υλοποίηση πυλών σύμπλεξης υψηλής πιστότητας μεταξύ δύο επεξεργαστών που απείχαν 30 εκατοστά.
Η έμπνευση της μελέτης
«Αυτή η εργασία ξεκίνησε από ένα ερώτημα που έθεσε πέρυσι ο Dr. Fei Yan (ένας από τους συν-συγγραφείς)», είπε ο Wen-Gang Zhang, συν-συγγραφέας του άρθρου, στο Phys.org. «Ρώτησε, “Μπορούμε να υλοποιήσουμε μια δίδυμη πύλη σύμπλεξης qubits μεταξύ δύο απομακρυσμένων κβαντικών τσιπ;”».
«Όπως σημειώνεται στο άρθρο, απομακρυσμένες συνδέσεις μεταξύ κβαντικών τσιπ έχουν αποδειχθεί προηγουμένως. Ωστόσο, αυτές οι υλοποιήσεις βασίζονταν πάντοτε στη μεταφορά κβαντικής κατάστασης (QST), μια διαδικασία εγγενώς ακατάλληλη για κβαντική υπολογιστική βασισμένη σε κυκλώματα. Με άλλα λόγια, η QST δεν μπορεί να επιτρέψει άμεσα την καθολική κβαντική υπολογιστική».
Οι πύλες CNOT και CZ
Ο κύριος στόχος της πρόσφατης μελέτης ήταν να ξεπεράσει τους περιορισμούς των προσεγγίσεων που βασίζονται στη QST για την υλοποίηση πυλών σύμπλεξης μεταξύ απομακρυσμένων κβαντικών τσιπ. Οι ερευνητές κατόρθωσαν να υλοποιήσουν δύο ευρέως χρησιμοποιούμενες πύλες δύο qubits, γνωστές ως CNOT και CZ.
«Υλοποιήσαμε τις δίδυμες πύλες σύμπλεξης (perfect entangler) αξιοποιώντας το φαινόμενο της διασταυρούμενης συντονιστικής δράσης (cross-resonance effect)», εξήγησε ο Zhang. «Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται ευρέως για την υλοποίηση πυλών σύμπλεξης μεταξύ υπεραγώγιμων qubits που βρίσκονται κοντά στο ίδιο τσιπ. Σε εκείνες τις εργασίες, τα qubits συνδέονται μέσω πυκνωτών. Η ιδέα μας είναι ότι ο γραμμικός αρμονικός ταλαντωτής μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να συνδέσει δύο qubits, και ένα μακρύ μικροκυματικό καλώδιο μπορεί να θεωρηθεί ως μικροκυματική κοιλότητα».
Η καινοτομία με το μικροκυματικό καλώδιο
Στο πλαίσιο της μελέτης, οι ερευνητές διερεύνησαν τη δυνατότητα χρήσης ενός μικροκυματικού καλωδίου για τη σύζευξη απομακρυσμένων qubits. Στη συνέχεια αξιοποίησαν το λεγόμενο «cross effect» για να υλοποιήσουν τις επιθυμητές πύλες σύμπλεξης.
«Αυτή η εργασία παρουσιάζει την πρώτη άμεση δίδυμη πύλη qubits μεταξύ διαφορετικών κβαντικών τσιπ με τόσο υψηλή πιστότητα», είπε ο Zhang. «Αξιοσημείωτο είναι ότι το πρωτόκολλο είναι εξαιρετικά απλό στην υλοποίηση, καθώς δεν απαιτεί πρόσθετα qubits ή γραμμές ελέγχου. Πιστεύουμε ότι αυτό θα αποτελέσει θεμελιώδες δομικό στοιχείο για την κατανεμημένη κβαντική υπολογιστική».
Οι μελλοντικές προοπτικές
Η πρόσφατη εργασία του Zhang και των συνεργατών του θα μπορούσε σύντομα να ανοίξει νέες συναρπαστικές δυνατότητες για την υλοποίηση της καθολικής και κατανεμημένης κβαντικής επεξεργασίας πληροφορίας. Στο μέλλον, οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν θα μπορούσαν επίσης να εφαρμοστούν για τη σύζευξη qubits στο ίδιο κβαντικό τσιπ, επιτρέποντας ενδεχομένως και την υλοποίηση κβαντικών κωδίκων διόρθωσης σφαλμάτων LDPC.
«Μέχρι στιγμής, υλοποιήσαμε μια απλή επίδειξη της δίδυμης πύλης σύμπλεξης μεταξύ δύο απομακρυσμένων τσιπ», πρόσθεσε ο Zhang. «Στο μέλλον, σκοπεύουμε να κατασκευάσουμε μεγαλύτερα τσιπ που θα περιέχουν περίπου 100 qubits και να τα συμπλέξουμε ώστε να επιτύχουμε τελικά τον στόχο της κατανεμημένης κβαντικής υπολογιστικής. Επίσης, το μικροκυματικό καλώδιο είναι κολλημένο στο τσιπ. Θέλουμε να το κάνουμε plug-in and play ώστε να μπορούμε να αντικαταστήσουμε ένα από τα τσιπ χωρίς να αφαιρούμε ολόκληρο το σύστημα από το ψυγείο αραίωσης».
Περισσότερες πληροφορίες: Juan Song et al, Υλοποίηση τέλειων διεμπλοκών υψηλής πιστότητας μεταξύ απομακρυσμένων υπεραγώγιμων κβαντικών επεξεργαστών, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/npr7-b7kq .
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters