Квантовые вычисления: электроника против фотоники - новые чипы изменят баланс

Как вам идея получить доступ к масштабируемым ресурсам квантовых вычислений, программируемым на Python, через облако? Канадский стартап Xanadu недавно объявил о создании чипа, который обеспечивает такой тип доступности в квантовых вычислениях. Более интересным является то, как этот тип чипа будет вписываться в экосистему квантовых вычислений и как он использует фотонику для манипулирования кубитами в квантовом компьютере.

Хотя 2021 год обещает стать годом ИИ, квантовые достижения все еще остаются в центре внимания, как и в 2020 году. 8 марта 2021 годаPhys.org сообщил, что канадский стартап Xanadu и Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) объявили о новом программируемом чипе для выполнения множества квантовых алгоритмов. Отчет следует за прорывной публикацией в Nature, где авторы сообщают, что их чип может работать при комнатной температуре. Этот чип уникален по сравнению с предыдущими достижениями в области квантовых вычислений, о которых мы сообщали в этом блоге, где для манипулирования кубитами в большой системе, охлаждаемой криогенно, используются радиочастотные сигналы или лазеры.

Чип Xanadu уникален тем, что работает с фотонами, или светом, на оптических длинах волн. В квантовых вычислениях суперпроводящие кубиты и кубиты на основе захваченных ионов были на переднем крае, и эти вычислительные архитектуры используются в обычно крупных квантовых компьютерах. Этот новый прорыв от Xanadu отмечает новую победу в портфолио фотоники, и пока остается вопросом, станет ли это новым стандартом для аппаратного обеспечения квантовых вычислений.

Фотоника Демонстрирует Квантовое Преимущество

Этот новый чип уникален с точки зрения его физического размера, как он функционирует и как его можно интегрировать в большую квантовую ИС или процессор. Мы начинаем видеть, что квантовые ИС следуют тому же пути масштабирования и интеграции, который электронные ИС переживали в течение последних 50 лет. Ниже показана схема архитектуры процессора Xanadu. Этот чип полностью фотонный; свет насоса (входные данные) подается в схему с использованием волокна через входной/выходной соединитель. Затем выход с чипа можно считать через выходной соединитель и отправить на сверхохлажденный детектор.

Архитектура, показанная выше, использует резонаторные кольцевые полости на входе для захвата фотонов в высококогерентные квантовые состояния, известные как "сжатые" состояния, которые хранятся при комнатной температуре. На полпути между входами и выходами, делители луча и фазовые сдвигатели соединяются с волноводами для создания программируемых квантовых интерферометров. Это позволяет программно смешивать состояния по мере того, как входные фотоны распространяются к выходу. Наконец, классический электронный модуль управления используется для получения ввода от пользователя и настройки каждого делителя луча и фазового сдвигателя в массиве.

Преимущества

Эта архитектура очень мощная и предоставляет несколько преимуществ по сравнению с кубитами на основе захваченных ионов и сверхпроводящими кубитами:

• Операции с множеством фотонов: Текущая реализация получает данные из волокна, но ширина шины может быть расширена для передачи одного или нескольких параллельных потоков данных.
• Низкие потери: Структура кольцевого резонатора и структура волновода естественным образом ограничивают свет благодаря полному внутреннему отражению. Это большое преимущество по сравнению с другими конкурирующими квантовыми компьютерами, которые очень потерянны.
• Комнатная температура: Квантовые компьютеры, работающие на сверхпроводящих кубитах и кубитах в ловушках ионов, должны работать при криогенных температурах. Это частично необходимо для предотвращения декогеренции (потери квантового состояния кубита) и частично для обеспечения того, чтобы межсоединения и сами кубиты оставались сверхпроводящими/в ловушке. Возможность работы при комнатной температуре устраняет необходимость в сложных системах охлаждения или точных установках лазерного охлаждения для сохранения состояний кубитов.
• Программируемый: Устройство имеет простую архитектуру, которую можно настроить с помощью библиотеки Python. Это большое преимущество для масштабируемости и интеграции; я обсужу это подробнее ниже.
• Высокая масштабируемость: Одним из основных ограничивающих факторов в стандартных квантовых компьютерах, таких как те, что основаны на микроволновых резонаторных полостях с ионами в ловушках, является их масштабируемость. Создание всего на планарной микросхеме делает эти устройства гораздо более масштабируемыми и, возможно, позволяет интегрировать их в стандартные архитектуры ИС (2D, 2.5D или 3D).
• Платформа на основе кремния: Использование кремния в качестве фотонной платформы способствует масштабированию, поскольку эти чипы могут быть реализованы в CMOS-процессе. Интеграция источников света и детекторов на кристалле остается сложной задачей, а интеграция на плату может потребовать уникальных стилей межсоединений для подачи и сбора света.

Обратите внимание, что только чип работает при комнатной температуре; детектор и сторона считывания системы все еще работают при сверхнизкой температуре, но система является шагом в правильном направлении. Более важным аспектом этой системы является то, что ее масштабируемость, в теории, может обеспечить квантовое преимущество.

Квантовое преимущество

Термин «квантовое преимущество» просто означает, что определенный квантовый компьютер способен выполнять вычисления, которые невозможно выполнить на классическом компьютере. Способность выполнять вычисления с множеством входов и выходов параллельно не только делает систему масштабируемой, она действительно обеспечивает квантовое преимущество. По мере увеличения количества входных портов увеличивается и количество возможных состояний, что увеличивало бы время, необходимое классическому компьютеру для симуляции всех возможных значений на выходных портах.

«Привет, мир!» на квантовом облаке

Этот новый квантовый процессор теперь доступен для общего доступа на облачной платформе Xanadu, и разработчики могут развертывать свои собственные квантовые алгоритмы с использованием PennyLane, библиотеки компании для разработки квантовых вычислений на Python. Это еще один шаг в правильном направлении для масштабируемых квантовых вычислений общего назначения: разработка программного стека для создания квантовых приложений на популярных языках программирования.

Если вы хотите развернуть свою собственную программу в облаке Xanadu, вам придется запросить доступ. Предполагая, что у вас есть доступ, вы можете использовать их библиотеку со следующим блоком кода, чтобы запустить ваш первый квантовый алгоритм:

Что это значит для дизайнеров печатных плат? Если мы хотим создавать маленькие, легкие системы с квантовыми процессорами, мы не можем позволить себе иметь большие источники света и детекторы на плате только для взаимодействия с квантовым чипом. Уменьшение размера системы до такой степени, чтобы квантовый процессор можно было установить на печатную плату, требует интеграции источников света и детекторов для этих систем на уровне кристалла.

Теперь, когда эти возможности становятся доступны в облаке, представьте, что вы можете иметь встроенное устройство, которое отправляет данные в квантовый компьютер с подключением к облаку как часть более крупного приложения. Возможности захватывают дух, и мы можем только надеяться, что архитектура Xanadu дойдет до уровня устройств.

По мере того как новые технологии становятся заметными и широко доступными для сообщества электроники, Altium будет здесь, чтобы помочь инновационным инженерам создавать электронику, которая преодолевает границы технологий. Когда индустрия электроники начнет видеть коммерциализированные решения квантовых вычислений, вы сможете проектировать с использованием Altium Designer® и платформы Altium 365™. Следите за блогом для получения дополнительных инженерных и технологических обновлений.