Điện Tử Tính Toán Lượng Tử so với Quang Học: Các Chip Mới Sẽ Thay Đổi Cán Cân

Bạn sẽ thích truy cập vào nguồn lực máy tính lượng tử có thể lập trình bằng Python qua đám mây như thế nào? Startup của Canada, Xanadu, gần đây đã công bố một chip cho phép truy cập kiểu này trong máy tính lượng tử. Điều thú vị hơn là cách loại chip này sẽ phù hợp với hệ sinh thái máy tính lượng tử và làm thế nào nó tận dụng photonics để thao tác qubits trong một máy tính lượng tử.

Mặc dù năm 2021 đang chuẩn bị trở thành năm của AI, những tiến bộ về lượng tử vẫn đang tạo ra tiêu đề, giống như chúng đã làm vào năm 2020. Vào ngày 8 tháng 3 năm 2021, Phys.org đã báo cáo rằng startup của Canada, Xanadu và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã công bố một chip lập trình mới để thực hiện nhiều thuật toán lượng tử. Báo cáo theo sau một phát hiện quan trọng được công bố trong Nature, nơi các tác giả báo cáo rằng chip của họ có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Chip này khác biệt từ những tiến bộ trước đây về máy tính lượng tử mà chúng tôi đã báo cáo trên blog này, nơi tín hiệu RF hoặc laser được sử dụng để thao tác qubits trong một hệ thống được làm mát bằng cryogen.

Chip của Xanadu độc đáo ở chỗ nó hoạt động bằng photon, hay ánh sáng, ở các bước sóng quang học. Trong lĩnh vực tính toán lượng tử, qubit siêu dẫn và qubit bẫy ion đã chiếm ưu thế, và các kiến trúc tính toán này được sử dụng trong các máy tính lượng tử lớn điển hình. Sự tiến bộ mới từ Xanadu đánh dấu một chiến thắng mới trong danh mục photonics, và vẫn còn phải xem liệu đây có trở thành tiêu chuẩn mới cho phần cứng tính toán lượng tử hay không.

Photonics Thể Hiện Lợi Thế Lượng Tử

Chip mới này độc đáo về kích thước vật lý, cách nó hoạt động, và cách nó có thể được tích hợp vào một IC lượng tử lớn hơn hoặc bộ xử lý. Chúng ta đang bắt đầu thấy các IC lượng tử tuân theo cùng một quá trình phát triển về quy mô và tích hợp mà các IC điện tử đã trải qua trong 50 năm qua. Một sơ đồ cho thấy kiến trúc của bộ xử lý Xanadu được hiển thị dưới đây. Chip này hoàn toàn dựa trên photon; ánh sáng bơm (dữ liệu đầu vào) được đưa vào mạch thông qua sợi quang qua một bộ ghép I/O. Sau đó, tín hiệu đầu ra từ chip có thể được đọc từ một bộ ghép đầu ra và gửi đến một bộ phát hiện siêu lạnh.

Kiến trúc được hiển thị ở trên sử dụng các khoang cộng hưởng vòng tại đầu vào để bắt giữ photon trong các trạng thái lượng tử cực kỳ nhất quán, được biết đến là trạng thái “nén”, được lưu trữ ở nhiệt độ phòng. Ở giữa đầu vào và đầu ra, các bộ chia tia và bộ dịch pha được kết nối với các đường dẫn sóng để tạo ra các máy giao thoa lượng tử có thể lập trình. Điều này cho phép việc trộn lẫn các trạng thái một cách có thể lập trình khi photon đầu vào lan truyền đến đầu ra. Cuối cùng, một mô-đun điều khiển điện tử cổ điển được sử dụng để nhận đầu vào từ người dùng và cấu hình mỗi bộ chia tia và bộ dịch pha trong mảng.

Ưu điểm

Kiến trúc này rất mạnh mẽ và mang lại nhiều ưu điểm so với qubit ion bị giam cầm và qubit siêu dẫn:

• Hoạt động nhiều photon: Phiên bản hiện tại nhận dữ liệu từ sợi quang, nhưng độ rộng bus có thể được mở rộng để cung cấp một hoặc nhiều luồng dữ liệu song song.
• Mất mát thấp: Cấu trúc cộng hưởng vòng và cấu trúc đường dẫn sóng tự nhiên hạn chế ánh sáng nhờ vào phản xạ toàn phần nội bộ. Đây là một lợi thế lớn so với các máy tính lượng tử cạnh tranh khác, thường rất dễ mất mát.
• Nhiệt độ phòng: Máy tính lượng tử sử dụng qubit siêu dẫn và qubit bị giam cầm phải hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Điều này một phần để ngăn chặn sự mất mát trạng thái lượng tử của qubit (decoherence) và một phần để đảm bảo các kết nối và qubit vẫn ở trạng thái siêu dẫn/giam cầm. Khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng loại bỏ nhu cầu về hệ thống làm mát phức tạp hoặc cài đặt làm mát bằng laser chính xác để đảm bảo trạng thái qubit không bị mất.
• Lập trình được: Thiết bị có kiến trúc đơn giản có thể được cấu hình với thư viện Python. Đây là một lợi thế lớn cho khả năng mở rộng và tích hợp; tôi sẽ thảo luận thêm về điều này bên dưới.
• Có khả năng mở rộng cao: Một trong những yếu tố hạn chế chính trong các máy tính lượng tử tiêu chuẩn, như những cái dựa trên các khoang cộng hưởng vi sóng với ion bị giam cầm, là khả năng mở rộng của chúng. Xây dựng mọi thứ trên một chip phẳng làm cho các thiết bị này có khả năng mở rộng cao hơn nhiều, và có thể cho phép chúng được tích hợp vào kiến trúc IC tiêu chuẩn (2D, 2.5D, hoặc 3D).
• Nền tảng silicon: Sử dụng silicon làm nền tảng quang học giúp mở rộng quy mô vì các chip này có thể được triển khai trong quy trình CMOS. Tích hợp nguồn sáng và bộ phát hiện trên chip vẫn là thách thức, và tích hợp lên một bảng mạch có thể yêu cầu các phong cách kết nối độc đáo để cung cấp và thu thập ánh sáng.

Lưu ý rằng chỉ có chip hoạt động ở nhiệt độ phòng; bộ phận phát hiện và đọc dữ liệu của hệ thống vẫn hoạt động ở nhiệt độ siêu lạnh, nhưng hệ thống này là một bước tiến đúng hướng. Yếu tố quan trọng hơn của hệ thống này là khả năng mở rộng của nó có thể, theo lý thuyết, kích hoạt lợi thế lượng tử.

Lợi Thế Lượng Tử

Thuật ngữ “lợi thế lượng tử” đơn giản chỉ là một máy tính lượng tử nhất định có khả năng thực hiện các phép tính mà máy tính cổ điển không thể giải quyết được. Khả năng thực hiện các phép tính với nhiều đầu vào và đầu ra cùng lúc không chỉ làm cho hệ thống có thể mở rộng, mà còn kích hoạt lợi thế lượng tử. Khi số lượng cổng đầu vào tăng lên, số lượng trạng thái có thể xảy ra cũng tăng lên, điều này sẽ làm tăng thời gian mà một máy tính cổ điển cần để mô phỏng tất cả các giá trị có thể tại các cổng đầu ra.

"Xin chào Thế giới!" trên Đám Mây Lượng Tử

Vi xử lý lượng tử mới này hiện đã có sẵn cho truy cập công cộng trên nền tảng đám mây của Xanadu, và các nhà phát triển có thể triển khai các thuật toán lượng tử của riêng họ sử dụng PennyLane, thư viện Python của công ty dành cho phát triển máy tính lượng tử. Đây là một bước tiến đúng hướng khác cho máy tính lượng tử có mục đích chung, có khả năng mở rộng: phát triển một bộ phần mềm để xây dựng các ứng dụng lượng tử trong các ngôn ngữ lập trình phổ biến.

Nếu bạn muốn triển khai chương trình của mình trên đám mây của Xanadu, bạn sẽ cần phải yêu cầu quyền truy cập. Giả sử bạn đã có quyền truy cập, bạn có thể sử dụng thư viện của họ với khối mã sau để chạy thuật toán lượng tử đầu tiên của mình:

Vậy điều này có nghĩa gì đối với các nhà thiết kế PCB? Nếu chúng ta muốn xây dựng các hệ thống nhỏ gọn, nhẹ với bộ xử lý lượng tử, chúng ta không thể có các nguồn sáng lớn và bộ phát hiện trên bo mạch chỉ để giao tiếp với một chip lượng tử. Việc thu nhỏ kích thước hệ thống, và giảm xuống đến điểm mà một bộ xử lý lượng tử có thể được đặt trên một PCB, đòi hỏi phải tích hợp các nguồn sáng và bộ phát hiện cho các hệ thống này xuống cấp độ die.

Giờ đây, với những khả năng này có thể truy cập được trong đám mây, hãy tưởng tượng có thể có một thiết bị nhúng gửi dữ liệu đến một máy tính lượng tử kết nối đám mây như một phần của một ứng dụng lớn hơn. Khả năng là vô cùng lớn, và chúng ta chỉ có thể hy vọng kiến trúc của Xanadu sẽ được áp dụng ở cấp độ thiết bị.

Khi các công nghệ mới trở nên nổi bật và rộng rãi đến cộng đồng điện tử, Altium sẽ ở đây để giúp các kỹ sư sáng tạo xây dựng các thiết bị điện tử đẩy giới hạn của công nghệ. Khi ngành công nghiệp điện tử bắt đầu thấy các giải pháp tính toán lượng tử được thương mại hóa, bạn sẽ có thể thiết kế xung quanh chúng với Altium Designer® và nền tảng Altium 365™. Hãy tiếp tục theo dõi blog để biết thêm các cập nhật về kỹ thuật và công nghệ.