量子コンピューティングの電子工学 vs. フォトニクス：新しいチップがバランスを変える

クラウドを通じてスケーラブルなPythonプログラマブルな量子コンピューティングリソースにアクセスしたいと思いませんか？カナダのスタートアップ企業Xanaduが、このタイプのアクセシビリティを量子コンピューティングで可能にするチップを最近発表しました。さらに興味深いのは、このタイプのチップが量子コンピューティングエコシステムにどのように適合し、量子コンピュータ内でキュービットを操作するためにフォトニクスをどのように活用するかです。

2021年はAIの年になると予測されていますが、量子技術の進歩も依然として注目を集めています。2020年にもそうであったように。2021年3月8日、Phys.orgは、カナダのスタートアップ企業Xanaduと米国国立標準技術研究所（NIST）が、複数の量子アルゴリズムを実行するための新しいプログラマブルチップを発表したと報じました。この報告は、Nature誌に掲載された画期的な論文に続くもので、著者らはそのチップが室温で動作すると報告しています。このチップは、RF信号やレーザーを使用して大型の低温冷却システム内でキュービットを操作する、このブログで以前に報告した量子コンピューティングの進歩とは異なります。

Xanaduのチップは、光子、つまり光学波長の光を使用して動作するという点でユニークです。量子コンピューティングでは、超伝導キュービットとトラップされたイオンキュービットが主流を占めており、これらのコンピューティングアーキテクチャは、通常大型の量子コンピューターで使用されています。Xanaduからのこの新しい進歩は、フォトニクスポートフォリオにおける新たな勝利を示しており、これが量子コンピューティングハードウェアの新しい標準になるかどうかはまだ未知数です。

フォトニクスが量子優位性を示す

この新しいチップは、その物理的サイズ、機能の仕方、そしてより大きな量子ICやプロセッサーにどのように統合できるかという点でユニークです。私たちは、過去50年間に電子ICが経験したのと同じスケーリングと統合の進行を量子ICでも見始めています。Xanaduのプロセッサーのアーキテクチャを示す図式が以下に示されています。このチップは完全にフォトニックであり、ポンプ光（入力データ）はI/Oカプラーを通じてファイバーを使用して回路に与えられます。チップからの出力は、出力カプラーから読み取り、超冷却検出器に送信することができます。

上記のアーキテクチャは、入力時にリング共振器キャビティを使用して光子を高度にコヒーレントな量子状態である「圧縮」状態に閉じ込め、室温で保存します。入力と出力の中間地点で、ビームスプリッターと位相シフターが導波路とリンクしてプログラマブルな量子干渉計を作成します。これにより、入力光子が出力に伝播する際に状態のプログラマブルな混合が可能になります。最終的に、古典的な電子制御モジュールが使用され、ユーザー入力を受け取り、配列内の各ビームスプリッターと位相シフターを設定します。

利点

このアーキテクチャは非常に強力であり、トラップされたイオンキュービットや超伝導キュービットに対していくつかの利点を提供します：

• 多光子操作： 現在のインカーネーションはファイバーからデータを受け取りますが、バス幅を拡張して1つ以上の並列データストリームを提供することができます。
• 低損失： リング共振器構造と導波路構造は、全反射のおかげで自然に光を閉じ込めます。これは、非常に損失が大きい他の競合する量子コンピューターに比べて大きな利点です。
• 室温での動作：超伝導キュービットやトラップされたイオンキュービットを使用する量子コンピューターは、低温で動作する必要があります。これは、部分的にはデコヒーレンス（キュービットの量子状態の喪失）を防ぐためであり、部分的には相互接続とキュービットが超伝導/トラップされた状態を維持するためです。室温で動作できるようになると、キュービットの状態が失われないように複雑な冷却システムや精密なレーザー冷却設定が不要になります。
• プログラマブル：このデバイスは、Pythonライブラリで設定できるシンプルなアーキテクチャを持っています。これはスケーラビリティと統合において大きな利点です。これについては以下でさらに詳しく説明します。
• 高いスケーラビリティ：標準的な量子コンピューター、例えばトラップされたイオンを持つマイクロ波共振器キャビティに基づくものの主な制限要因の一つは、そのスケーラビリティです。すべてを平面チップ上に構築することで、これらのデバイスははるかにスケーラブルになり、標準的なICアーキテクチャ（2D、2.5D、または3D）に統合される可能性があります。
• シリコンプラットフォーム：シリコンをフォトニクスプラットフォームとして使用することは、これらのチップがCMOSプロセスで実装される可能性があるため、スケーリングを支援します。光源と検出器をダイ上に統合することは依然として課題ですが、光を供給し収集するためにボード上で独自の相互接続スタイルが必要になるかもしれません。

注意すべきは、チップのみが室温で動作し、検出器と読み出し側のシステムは超冷却温度で動作しているが、このシステムは正しい方向への一歩であるということです。このシステムのより重要な側面は、そのスケーラビリティが理論上、量子優位を可能にすることができるということです。

量子優位

「量子優位」という用語は、ある量子コンピュータが、古典コンピュータでは扱いきれない計算を実行できる能力を持っていることを単純に意味します。複数の入力と出力を並列に処理する能力は、システムをスケーラブルにするだけでなく、量子優位を可能にします。入力ポートの数が増えると、可能な状態の数も増え、古典コンピュータが出力ポートでのすべての可能な値をシミュレートするのに必要な時間が増加します。

量子クラウド上の「Hello World!」

この新しい量子プロセッサは現在、Xanaduのクラウドプラットフォームで一般公開されており、開発者は同社の量子コンピューティング開発用PythonライブラリであるPennyLaneを使用して、独自の量子アルゴリズムをデプロイできます。これは、人気のプログラミング言語で量子アプリケーションを構築するためのソフトウェアスタックの開発という点で、スケーラブルな汎用量子コンピューティングに向けたまた一歩です。

Xanaduのクラウドに自分のプログラムをデプロイしたい場合、アクセスをリクエストする必要があります。アクセスが許可されたと仮定すると、以下のコードブロックを使用して、最初の量子アルゴリズムを実行することができます：

PCB設計者にとってこれは何を意味するのでしょうか？小型で軽量なシステムに量子プロセッサを搭載したい場合、量子チップとのインターフェースのために大きな光源や検出器をボード上に置くわけにはいきません。システムのサイズを小さくし、量子プロセッサをPCB上に搭載できるポイントまで縮小するには、これらのシステムの光源と検出器をダイレベルまで統合する必要があります。

これらの機能がクラウドでアクセス可能になる今、より大きなアプリケーションの一部としてデータをクラウドコネクター量子コンピュータに送信する組み込みデバイスを想像してみてください。可能性は計り知れず、Xanaduのアーキテクチャがデバイスレベルにまで普及することを願うばかりです。

新しい技術が目立ち、電子コミュニティに広く利用可能になるにつれて、Altiumは革新的なエンジニアが技術の限界を押し広げるエレクトロニクスを構築するのを支援します。電子業界が商用化された量子コンピューティングソリューションを目にするようになると、Altium Designer® および Altium 365™ プラットフォームを使用してこれらをデザインできるようになります。エンジニアリングと技術のアップデートについては、ブログを引き続きご覧ください。