Elektronika a Fotonika w Obliczeniach Kwantowych: Nowe Układy Zmienią Równowagę

Jak byś chciał uzyskać dostęp do skalowalnych zasobów kwantowych programowalnych w Pythonie przez chmurę? Kanadyjski startup Xanadu niedawno ogłosił chip, który umożliwia tego typu dostępność w obliczeniach kwantowych. Co więcej, interesujące jest, jak ten typ chipa wpasuje się w ekosystem obliczeń kwantowych i jak wykorzystuje on fotonikę do manipulowania kubitami w komputerze kwantowym.

Chociaż rok 2021 zapowiada się na rok AI, postępy w dziedzinie kwantowej nadal są na pierwszych stronach gazet, tak jak miało to miejsce w 2020 roku. 8 marca 2021 roku, Phys.org zgłosił, że kanadyjski startup Xanadu oraz Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii (NIST) w USA ogłosili nowy programowalny chip do wykonywania wielu algorytmów kwantowych. Raport następuje po przełomowej publikacji w Nature, gdzie autorzy donoszą, że ich chip może działać w temperaturze pokojowej. Ten chip jest unikalny w porównaniu do wcześniejszych postępów w obliczeniach kwantowych, o których informowaliśmy na tym blogu, gdzie do manipulacji kubitami w dużym systemie chłodzonym kriogenicznie używane są sygnały RF lub lasery.

Chip Xanadu jest wyjątkowy, ponieważ działa na fotonach, czyli świetle, w zakresie długości fal optycznych. W dziedzinie komputerów kwantowych dotychczas na czoło wysuwały się kubity nadprzewodzące i kubity w pułapkach jonowych, a te architektury obliczeniowe są stosowane w zazwyczaj dużych komputerach kwantowych. Ten nowy postęp ze strony Xanadu stanowi nowe zwycięstwo w portfolio fotoniki i pozostaje pytanie, czy stanie się to nowym standardem dla sprzętu komputerowego kwantowego.

Fotonika Wykazuje Przewagę Kwantową

Ten nowy chip jest unikalny pod względem swojego rozmiaru fizycznego, sposobu działania oraz możliwości integracji z większym kwantowym układem scalonym lub procesorem. Zaczynamy obserwować, że kwantowe układy scalone podążają za tą samą progresją skalowania i integracji, którą doświadczyły elektroniczne układy scalone w ciągu ostatnich 50 lat. Poniżej przedstawiono schemat architektury procesora Xanadu. Ten chip jest w pełni fotonowy; światło pompujące (dane wejściowe) jest dostarczane do obwodu za pomocą włókna przez sprzęgacz I/O. Wyjście z chipa może być następnie odczytane z sprzęgacza wyjściowego i wysłane do superchłodzonego detektora.

Architektura przedstawiona powyżej wykorzystuje rezonatory pierścieniowe na wejściu, aby uwięzić fotony w wysoko spójnych stanach kwantowych, znanych jako stany „ściśnięte”, które są przechowywane w temperaturze pokojowej. W połowie drogi między wejściami a wyjściami, dzielniki wiązki i przesuwniki fazowe są połączone z falowodami, aby stworzyć programowalne interferometry kwantowe. To umożliwia programowalne mieszanie stanów, gdy fotony wejściowe propagują do wyjścia. W końcu, klasyczny moduł sterowania elektronicznego jest używany do odbierania danych od użytkownika i konfigurowania każdego dzielnika wiązki i przesuwnika fazowego w tablicy.

Zalety

Ta architektura jest bardzo potężna i oferuje kilka zalet w porównaniu do uwięzionych jonów qubitów i superprzewodzących qubitów:

• Operacja na wielu fotonach: Obecna inkarnacja odbiera dane z włókna, ale szerokość magistrali mogłaby zostać rozszerzona, aby zapewnić jeden lub więcej równoległych strumieni danych.
• Niskie straty: Struktura rezonatora pierścieniowego i struktura falowodu naturalnie ograniczają światło dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. To duża zaleta w porównaniu do innych konkurencyjnych komputerów kwantowych, które są bardzo stratne.
• Temperatura pokojowa: Komputery kwantowe wykorzystujące kubity nadprzewodzące i kubity w pułapkach jonowych muszą pracować w temperaturach kriogenicznych. Jest to częściowo po to, aby zapobiec dekoherencji (utracie stanu kwantowego kubitu) oraz częściowo, aby zapewnić, że połączenia i kubity pozostają nadprzewodzące/zapętlone. Możliwość pracy w temperaturze pokojowej eliminuje potrzebę skomplikowanych systemów chłodzenia lub precyzyjnych układów chłodzenia laserowego, aby zapewnić, że stany kubitów nie zostaną utracone.
• Programowalny: Urządzenie posiada prostą architekturę, którą można konfigurować za pomocą biblioteki Python. Jest to duża zaleta dla skalowalności i integracji; omówię to bardziej poniżej.
• Wysoce skalowalny: Jednym z głównych ograniczeń w standardowych komputerach kwantowych, takich jak te oparte na mikrofalowych rezonatorach z pułapkami jonowymi, jest ich skalowalność. Budowanie wszystkiego na płaskim chipie czyni te urządzenia znacznie bardziej skalowalnymi i możliwie pozwala na ich integrację ze standardowymi architekturami układów scalonych (2D, 2.5D lub 3D).
• Platforma krzemowa: Używanie krzemu jako platformy fotoniki wspomaga skalowanie, ponieważ te chipy mogłyby być wdrażane w procesie CMOS. Integracja źródeł światła i detektorów na chipie pozostaje wyzwaniem, a integracja na płytce może wymagać unikalnych stylów połączeń do dostarczania i zbierania światła.

Należy zauważyć, że tylko chip pracuje w temperaturze pokojowej; detektor i strona odczytu systemu nadal działają w temperaturze głęboko schłodzonej, ale system stanowi krok w dobrym kierunku. Ważniejszym aspektem tego systemu jest to, że jego skalowalność może w teorii umożliwić osiągnięcie przewagi kwantowej.

Przewaga Kwantowa

Termin „przewaga kwantowa” po prostu oznacza, że dany komputer kwantowy jest zdolny do wykonywania obliczeń, które są niemożliwe do przeprowadzenia na klasycznym komputerze. Możliwość przeprowadzania obliczeń z wieloma wejściami i wyjściami równolegle nie tylko czyni system skalowalnym, ale także umożliwia osiągnięcie przewagi kwantowej. W miarę zwiększania liczby portów wejściowych rośnie również liczba możliwych stanów, co zwiększałoby czas potrzebny klasycznemu komputerowi na symulację wszystkich możliwych wartości na portach wyjściowych.

„Witaj świecie!” na Kwantowej Chmurze

Ten nowy procesor kwantowy jest teraz dostępny do publicznego dostępu na platformie chmurowej Xanadu, a programiści mogą wdrażać własne algorytmy kwantowe za pomocą PennyLane, biblioteki Python firmy przeznaczonej do rozwoju obliczeń kwantowych. Jest to kolejny krok w dobrym kierunku dla skalowalnych, ogólnego przeznaczenia obliczeń kwantowych: rozwój stosu oprogramowania do budowania aplikacji kwantowych w popularnych językach programowania.

Jeśli chcesz wdrożyć własny program w chmurze Xanadu, musisz poprosić o dostęp. Zakładając, że masz dostęp, możesz użyć ich biblioteki z następującym blokiem kodu, aby uruchomić swój pierwszy algorytm kwantowy:

Co to oznacza dla projektantów PCB? Jeśli chcemy budować małe, lekkie systemy z procesorami kwantowymi, nie możemy mieć dużych źródeł światła i detektorów na płytce tylko po to, aby łączyć się z chipem kwantowym. Zmniejszenie rozmiaru systemu do punktu, w którym procesor kwantowy może być umieszczony na PCB, wymaga zintegrowania źródeł światła i detektorów dla tych systemów na poziomie die.

Teraz, gdy te możliwości są dostępne w chmurze, wyobraź sobie posiadanie urządzenia wbudowanego, które wysyła dane do kwantowego komputera połączonego z chmurą jako część większej aplikacji. Możliwości są oszałamiające i możemy tylko mieć nadzieję, że architektura Xanadu dotrze do poziomu urządzenia.

Gdy nowe technologie stają się prominentne i szeroko dostępne dla społeczności elektroników, Altium będzie tutaj, aby pomóc innowacyjnym inżynierom budować elektronikę, która przesuwa granice technologii. Gdy branża elektroniczna zacznie widzieć komercyjne rozwiązania w dziedzinie komputerów kwantowych, będziesz mógł projektować z użyciem Altium Designer® i platformy Altium 365™. Śledź bloga, aby uzyskać więcej aktualizacji z inżynierii i technologii.