新しい量子コンピューティング アーキテクチャを使用して、大規模なデバイスを接続できます

クレジット: CC0 パブリック ドメイン

量子コンピューターは、世界で最も強力なスーパーコンピューターでも実行できない特定のタスクを実行できる可能性を秘めています。 将来、科学者は、量子コンピューティングを使用して材料システムをエミュレートし、量子化学をシミュレートし、困難なタスクを最適化することを予想しており、その影響は金融から医薬品に及ぶ可能性があります。

ただし、この約束を実現するには、回復力と拡張性に優れたハードウェアが必要です。 大規模な量子コンピューターを構築する際の課題の 1 つは、研究者が量子情報ノード (コンピューター チップ全体で分離された小規模な処理ノード) を相互接続する効果的な方法を見つけなければならないことです。 量子コンピューターは古典的なコンピューターとは根本的に異なるため、電子情報の通信に使用される従来の技術は、量子デバイスに直接変換されません。 ただし、1 つの要件は確実です。それは、従来の相互接続を介しているか、量子相互接続を介しているかにかかわらず、伝達される情報を送受信する必要があるということです。

この目的のために、MIT の研究者は、超伝導量子プロセッサ間の拡張可能で忠実度の高い通信を可能にする量子コンピューティング アーキテクチャを開発しました。 に掲載された作品で 自然物理学、MIT の研究者は、ステップ 1、ユーザー指定の方向への単一光子 (情報キャリア) の決定論的放出を示しています。 彼らの方法は、量子情報が正しい方向に流れることを 96% 以上の確率で保証します。

これらのモジュールのいくつかをリンクすると、コンピュータ チップ上での物理的な分離に関係なく、互いに相互接続された量子プロセッサのより大きなネットワークが可能になります。

「量子相互接続は、小さな個々のコンポーネントから構築された大規模マシンのモジュラー実装に向けた重要なステップです」と Bharath Kannan 博士は述べています。 ’22、この手法を説明する研究論文の共同筆頭著者。

「小さなサブシステム間で通信する機能により、量子プロセッサのモジュラー アーキテクチャが可能になります。これは、単一の大型で複雑なチップを使用する力ずくのアプローチと比較して、より大きなシステム サイズにスケーリングするためのより簡単な方法になる可能性があります」と Kannan 氏は付け加えます。

Kannan は、MIT の Research Laboratory of Electronics (RLE) の Engineering Quantum Systems グループの電気工学およびコンピューター サイエンスの大学院生である、共同主執筆者の Aziza Almanakly と共に論文を書きました。 上級著者は、電気工学、コンピューター サイエンス、および物理学の教授であり、MIT リンカーン研究所フェローであり、量子工学センターのディレクターであり、RLE のアソシエート ディレクターでもある William D. Oliver です。

移動する量子情報

従来の古典的なコンピューターでは、さまざまなコンポーネントが、メモリ、計算などのさまざまな機能を実行します。 ビット (1 または 0 の値を取る) としてエンコードおよび保存された電子情報は、コンピューター プロセッサ上で電子が移動するワイヤである相互接続を使用して、これらのコンポーネント間を行き来します。

しかし、量子情報はより複雑です。 0 または 1 の値だけを保持する代わりに、量子情報は同時に 0 と 1 の両方になることもできます (重ね合わせとして知られる現象)。 また、量子情報は、光子と呼ばれる光の粒子によって運ぶことができます。 これらの追加された複雑さにより、量子情報は壊れやすくなり、従来のプロトコルを使用して単純に転送することはできません。

量子ネットワークは、導波路と呼ばれる特別な相互接続を通過する光子を使用して処理ノードをリンクします。 導波路は、単方向で光子を左または右にのみ移動させることも、双方向にすることもできます。

ほとんどの既存のアーキテクチャは、光子が移動する方向が容易に確立されるため、実装が容易な単方向導波路を使用します。 しかし、各導波路は光子を一方向にしか移動させないため、量子ネットワークが拡大するにつれてより多くの導波路が必要になり、このアプローチのスケーリングが困難になります。 さらに、単方向導波管は通常、方向を強制するために追加のコンポーネントを組み込むため、通信エラーが発生します。

「左右両方の方向への伝播をサポートできる導波路と、自由に方向を選択する手段があれば、これらの損失成分を取り除くことができます。この「指向性伝送」は私たちが実証したものであり、それははるかに忠実度の高い双方向通信への第一歩です」と Kannan 氏は言います。

それらのアーキテクチャを使用すると、複数の処理モジュールが 1 つの導波路に沿って強力になります。 このアーキテクチャ設計の顕著な特徴は、同じモジュールを送信機と受信機の両方として使用できることです、と彼は言います。 写真は、共通の導波管に沿って任意の 2 つのモジュールで送信およびキャプチャできます。

「途中で任意の数のモジュールを接続できる物理接続が 1 つだけあります。これが拡張性を実現する理由です。1 つのモジュールからの指向性光子放出を実証したので、現在、2 番目のモジュールでその光子を下流にキャプチャすることに取り組んでいます」と Almanakly 氏は述べています。追加します。

量子特性の活用

これを達成するために、研究者は 4 つの量子ビットで構成されるモジュールを構築しました。

キュービットは量子コンピューターの構成要素であり、量子情報の保存と処理に使用されます。 しかし、量子ビットは光子エミッターとしても使用できます。 量子ビットにエネルギーを追加すると、量子ビットが励起され、励起が解除されると、量子ビットはエネルギーを光子の形で放出します。

ただし、1 つの量子ビットを導波路に接続するだけでは、方向性は保証されません。 単一の量子ビットが光子を放出しますが、左に移動するか右に移動するかは完全にランダムです。 この問題を回避するために、研究者は 2 つのキュービットと量子干渉として知られる特性を利用して、放出された光子が正しい方向に移動するようにしました。

この手法では、ベル状態と呼ばれる単一励起のエンタングル状態で 2 つのキュービットを準備します。 この量子力学的状態は、励起されている左側の量子ビットと励起されている右側の量子ビットの 2 つの側面で構成されます。 両方の側面が同時に存在しますが、特定の時間にどの量子ビットが励起されるかは不明です。

量子ビットがこの絡み合ったベル状態にある場合、光子は 2 つの量子ビット位置で同時に導波路に効果的に放出され、これら 2 つの「放出経路」は互いに干渉します。 ベル状態内の相対位相に応じて、結果として生じる光子放出は左または右に移動する必要があります。 正しい位相でベル状態を準備することにより、研究者は光子が導波路を移動する方向を選択します。

これと同じ手法を逆に使用して、別のモジュールで光子を受信できます。

「光子には特定の周波数、特定のエネルギーがあり、同じ周波数にチューニングすることでモジュールを受信するように準備できます。それらが同じ周波数にない場合、光子はただ通り過ぎます。チューニングに似ています。適切なラジオ周波数を選択すれば、その周波数で送信された音楽を拾うことができます」と Almanakly 氏は言います。

研究者は、彼らの技術が 96% 以上の忠実度を達成したことを発見しました。これは、光子を右に放出しようとした場合、96% の確率で右に行ったことを意味します。

この技術を使用して特定の方向に光子を効果的に放出したので、研究者は複数のモジュールを接続し、このプロセスを使用して光子を放出および吸収したいと考えています。 これは、多くの小規模なプロセッサを 1 つの大規模でより強力な量子プロセッサに結合するモジュラー アーキテクチャの開発に向けた大きな一歩となります。

詳しくは:
Bharath Kannan、導波管量子電気力学を使用したオンデマンド指向性マイクロ波光子放出、 自然物理学 (2023)。 DOI: 10.1038/s41567-022-01869-5. www.nature.com/articles/s41567-022-01869-5

マサチューセッツ工科大学提供

引用: 新しい量子コンピューティング アーキテクチャを使用して大規模なデバイスを接続することができます (2023 年 1 月 5 日) https://phys.org/news/2023-01-quantum-architecture-large-scale-devices.html から 2023 年 1 月 5 日に取得

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