Elettronica per il Calcolo Quantistico vs. Fotonica: I Nuovi Chip Cambieranno l'Equilibrio

Vuoi accedere a risorse di calcolo quantistico scalabili e programmabili in Python attraverso il cloud? La startup canadese Xanadu ha recentemente annunciato un chip che consente questo tipo di accessibilità nel calcolo quantistico. Ciò che è ancora più interessante è come questo tipo di chip si inserirà nell'ecosistema del calcolo quantistico e come sfrutta la fotonica per manipolare i qubit in un computer quantistico.

Sebbene il 2021 si stia preparando ad essere l'anno dell'IA, i progressi nel campo quantistico continuano a fare notizia, proprio come hanno fatto nel 2020. L'8 marzo 2021, Phys.org ha riportato che la startup canadese Xanadu e l'Istituto Nazionale degli Standard e della Tecnologia (NIST) degli Stati Uniti hanno annunciato un nuovo chip programmabile per eseguire più algoritmi quantistici. Il rapporto segue una pubblicazione rivoluzionaria su Nature, dove gli autori riportano che il loro chip può operare a temperatura ambiente. Questo chip è unico rispetto ai precedenti progressi nel calcolo quantistico di cui abbiamo parlato in questo blog, dove segnali RF o laser sono utilizzati per manipolare i qubit in un sistema raffreddato criogenicamente.

Il chip di Xanadu è unico nel suo genere in quanto opera con fotoni, o luce, a lunghezze d'onda ottiche. Nel calcolo quantistico, i qubit superconduttori e i qubit intrappolati in ioni hanno avuto la meglio, e queste architetture di calcolo sono utilizzate nei computer quantistici tipicamente grandi. Questo nuovo avanzamento da parte di Xanadu segna una nuova vittoria nel portafoglio della fotonica, e resta da vedere se diventerà il nuovo standard per l'hardware di calcolo quantistico.

La Fotonica Mostra un Vantaggio Quantistico

Questo nuovo chip è unico in termini di dimensione fisica, di come funziona e di come può essere integrato in un IC quantistico o processore più grande. Stiamo iniziando a vedere gli IC quantistici seguire la stessa progressione di scalabilità e integrazione che gli IC elettronici hanno sperimentato negli ultimi 50 anni. Uno schema che mostra l'architettura del processore di Xanadu è mostrato di seguito. Questo chip è completamente fotonico; la luce di pompaggio (dati in ingresso) viene fornita al circuito tramite fibra attraverso un accoppiatore I/O. L'uscita dal chip può quindi essere letta da un accoppiatore di uscita e inviata a un rilevatore super-raffreddato.

L'architettura mostrata sopra utilizza cavità a risonatore ad anello all'ingresso per intrappolare i fotoni in stati quantistici altamente coerenti, noti come stati "squeezed" (compressi), che sono conservati a temperatura ambiente. A metà strada tra gli ingressi e le uscite, divisori di fascio e fasi di spostamento sono collegati con guide d'onda per creare interferometri quantistici programmabili. Questo è ciò che consente la miscelazione programmabile degli stati man mano che i fotoni in ingresso si propagano verso l'uscita. Infine, un modulo di controllo elettronico classico è utilizzato per ricevere l'input dell'utente e configurare ogni divisore di fascio e fase di spostamento nell'array.

Vantaggi

Questa architettura è molto potente e offre diversi vantaggi rispetto ai qubit con ioni intrappolati e ai qubit superconduttori:

• Operazione con molti fotoni: L'incarnazione attuale riceve dati dalla fibra, ma la larghezza del bus potrebbe essere estesa per fornire uno o più flussi di dati paralleli.
• Bassa perdita: La struttura del risonatore ad anello e la struttura della guida d'onda confinano naturalmente la luce grazie alla riflessione interna totale. Questo rappresenta un grande vantaggio rispetto ad altri computer quantistici competitivi, che sono molto perdenti.
• Temperatura ambiente: I computer quantistici che utilizzano qubit superconduttori e qubit intrappolati devono funzionare a temperature criogeniche. Questo è in parte per prevenire la decoerenza (perdita dello stato quantistico di un qubit) e in parte per garantire che gli interconnettori e i qubit rimangano superconduttori/intrappolati. Poter funzionare a temperatura ambiente elimina la necessità di sistemi di raffreddamento complessi o configurazioni di raffreddamento laser precise per garantire che gli stati dei qubit non vengano persi.
• Programmabile: Il dispositivo ha un'architettura semplice che può essere configurata con una libreria Python. Questo rappresenta un grande vantaggio per la scalabilità e l'integrazione; ne parlerò più dettagliatamente di seguito.
• Altamente scalabile: Uno dei principali fattori limitanti nei computer quantistici standard, come quelli basati su cavità risonatrici a microonde con ioni intrappolati, è la loro scalabilità. Costruire tutto su un chip piano rende questi dispositivi molto più scalabili e, potenzialmente, permette la loro integrazione in architetture IC standard (2D, 2.5D o 3D).
• Piattaforma di silicio: Utilizzare il silicio come piattaforma fotonica aiuta la scalabilità poiché questi chip potrebbero essere implementati in un processo CMOS. L'integrazione di sorgenti luminose e rilevatori sul die rimane una sfida, e l'integrazione su una scheda potrebbe richiedere stili di interconnessione unici per fornire e raccogliere luce.

Si noti che solo il chip funziona a temperatura ambiente; il lato del rilevatore e di lettura del sistema funziona ancora a temperatura super raffreddata, ma il sistema rappresenta un passo nella giusta direzione. L'aspetto più importante di questo sistema è che la sua scalabilità può, in teoria, abilitare il vantaggio quantistico.

Vantaggio Quantistico

Il termine "vantaggio quantistico" significa semplicemente che un certo computer quantistico è capace di eseguire calcoli che sono intrattabili con un computer classico. La capacità di eseguire calcoli con molteplici input e output in parallelo non solo rende il sistema scalabile, ma abilita il vantaggio quantistico. Man mano che il numero di porte di input aumenta, aumenta anche il numero di stati possibili, il che aumenterebbe il tempo necessario a un computer classico per simulare tutti i valori possibili alle porte di output.

“Ciao Mondo!” sulla Cloud Quantistica

Questo nuovo processore quantistico è ora disponibile per l'accesso pubblico sulla piattaforma cloud di Xanadu, e gli sviluppatori possono implementare i propri algoritmi quantistici utilizzando PennyLane, la libreria Python dell'azienda per lo sviluppo di computing quantistico. Questo rappresenta un altro passo nella giusta direzione per il computing quantistico scalabile e di uso generale: lo sviluppo di un stack software per costruire applicazioni quantistiche in linguaggi di programmazione popolari.

Se vuoi distribuire il tuo programma sulla cloud di Xanadu, dovrai richiedere l'accesso. Supponendo che tu abbia accesso, puoi utilizzare la loro libreria con il seguente blocco di codice per eseguire il tuo primo algoritmo quantistico:

Cosa significa questo per i progettisti di PCB? Se vogliamo costruire sistemi piccoli e leggeri con processori quantistici, non possiamo avere grandi sorgenti luminose e rilevatori sulla scheda solo per interfacciarsi con un chip quantistico. Ridurre le dimensioni del sistema, fino al punto in cui un processore quantistico può essere montato su un PCB, richiede l'integrazione di sorgenti luminose e rilevatori per questi sistemi fino al livello del die.

Ora, con queste capacità accessibili nel cloud, immagina di poter avere un dispositivo embedded che invia dati a un computer quantistico connesso al cloud come parte di un'applicazione più ampia. Le possibilità sono sbalorditive, e possiamo solo sperare che l'architettura di Xanadu arrivi fino al livello del dispositivo.

Man mano che le nuove tecnologie diventano prominenti e ampiamente disponibili per la comunità elettronica, Altium sarà qui per aiutare gli ingegneri innovativi a costruire elettronica che spinge i limiti della tecnologia. Mentre l'industria elettronica inizia a vedere soluzioni di calcolo quantistico commercializzate, sarai in grado di progettare intorno a queste con Altium Designer® e la piattaforma Altium 365™. Continua a seguire il blog per ulteriori aggiornamenti su ingegneria e tecnologia.