Однако для реализации этого обещания требуется устойчивое и расширяемое аппаратное обеспечение. Одна из проблем при создании крупномасштабного квантового компьютера заключается в том, что исследователи должны найти эффективный способ соединения квантовых информационных узлов - узлов обработки меньшего масштаба, разделенных на компьютерном чипе. Поскольку квантовые компьютеры фундаментально отличаются от классических компьютеров, обычные методы, используемые для передачи электронной информации, не применяются непосредственно к квантовым устройствам. Однако одно требование несомненно: независимо от того, через классическое или квантовое межсоединение должна передаваться и приниматься передаваемая информация.

С этой целью исследователи Массачусетского технологического института разработали архитектуру квантовых вычислений, которая обеспечит расширяемую и высокоточную связь между сверхпроводящими квантовыми процессорами. В работе, опубликованной в Физика природы Исследователи Массачусетского технологического института демонстрируют первый шаг - детерминированное излучение одиночных фотонов - носителей информации - в заданном пользователем направлении. Их метод гарантирует, что квантовая информация течет в правильном направлении более чем в 96 процентах случаев.

Объединение нескольких из этих модулей позволяет создать более крупную сеть квантовых процессоров, которые взаимосвязаны друг с другом, независимо от их физического разделения на компьютерном чипе.

"Квантовые межсоединения являются решающим шагом на пути к модульным реализациям крупномасштабных машин, построенных из отдельных компонентов меньшего размера", - говорит Бхарат Каннан, доктор философии 22 лет, соавтор исследовательской работы, описывающей этот метод.

"Возможность обмена данными между меньшими подсистемами позволит создать модульную архитектуру для квантовых процессоров, и это может быть более простым способом масштабирования до больших размеров системы по сравнению с методом перебора, использующим один большой и сложный чип", - добавляет Каннан.

Каннан написал статью вместе с соавтором Азизой Альманакли, аспиранткой по электротехнике и информатике в группе инженерных квантовых систем Исследовательской лаборатории электроники (RLE) Массачусетского технологического института. Старший автор - Уильям Д. Оливер, профессор электротехники и компьютерных наук, а также физики, сотрудник лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, директор Центра квантовой инженерии и заместитель директора RLE.

Перемещение квантовой информации

В обычном классическом компьютере различные компоненты выполняют различные функции, такие как память, вычисления и т.д. Электронная информация, закодированная и сохраненная в виде битов (которые принимают значение 1s или 0s), передается между этими компонентами с помощью межсоединений, которые представляют собой провода, перемещающие электроны по компьютерному процессору.

Но квантовая информация более сложна. Вместо того, чтобы содержать только значение 0 или 1, квантовая информация также может быть как 0, так и 1 одновременно (явление, известное как суперпозиция). Кроме того, квантовая информация может передаваться частицами света, называемыми фотонами. Эти дополнительные сложности делают квантовую информацию хрупкой, и она не может быть передана просто с использованием обычных протоколов.

Квантовая сеть связывает обрабатывающие узлы с помощью фотонов, которые проходят через специальные межсоединения, известные как волноводы. Волновод может быть либо однонаправленным и перемещать фотон только влево или вправо, либо он может быть двунаправленным.

В большинстве существующих архитектур используются однонаправленные волноводы, которые проще реализовать, поскольку легко устанавливается направление, в котором движутся фотоны. Но поскольку каждый волновод перемещает фотоны только в одном направлении, по мере расширения квантовой сети становится необходимым больше волноводов, что затрудняет масштабирование этого подхода. Кроме того, однонаправленные волноводы обычно включают дополнительные компоненты для обеспечения направленности, что приводит к ошибкам связи.

"Мы можем избавиться от этих компонентов с потерями, если у нас будет волновод, который может поддерживать распространение как в левом, так и в правом направлениях, а также средство выбора направления по желанию. Эта "направленная передача" - это то, что мы продемонстрировали, и это первый шаг к двунаправленной связи с гораздо более высокой точностью", - говорит Каннан.

Используя их архитектуру, несколько модулей обработки могут быть расположены вдоль одного волновода. Примечательной особенностью архитектурного дизайна является то, что один и тот же модуль может использоваться как в качестве передатчика, так и в качестве приемника, говорит он. И фотоны могут быть отправлены и захвачены любыми двумя модулями по общему волноводу.

"У нас есть только одно физическое соединение, которое может иметь любое количество модулей на этом пути. Это то, что делает его масштабируемым. Продемонстрировав направленное излучение фотонов из одного модуля, мы теперь работаем над захватом этого фотона ниже по потоку во втором модуле", - добавляет Альманакли.

Использование квантовых свойств

Для достижения этой цели исследователи построили модуль, состоящий из четырех кубитов.

Кубиты являются строительными блоками квантовых компьютеров и используются для хранения и обработки квантовой информации. Но кубиты также могут быть использованы в качестве излучателей фотонов. Добавление энергии к кубиту приводит к возбуждению кубита, а затем, когда он отключается, кубит испускает энергию в виде фотона.

Однако простое подключение одного кубита к волноводу не гарантирует направленности. Один кубит испускает фотон, но движется ли он влево или вправо, совершенно случайно. Чтобы обойти эту проблему, исследователи используют два кубита и свойство, известное как квантовая интерференция, чтобы гарантировать, что испускаемый фотон движется в правильном направлении.

Метод включает в себя подготовку двух кубитов в запутанном состоянии одиночного возбуждения, называемом состоянием Белла. Это квантово-механическое состояние включает в себя два аспекта: возбуждение левого кубита и возбуждение правого кубита. Оба аспекта существуют одновременно, но какой кубит возбуждается в данный момент времени, неизвестно.

Когда кубиты находятся в этом запутанном состоянии Белла, фотон эффективно излучается в волновод одновременно в двух местоположениях кубита, и эти два "пути излучения" интерферируют друг с другом. В зависимости от относительной фазы в пределах состояния Белла результирующее излучение фотона должно перемещаться влево или вправо. Подготавливая состояние Белла с правильной фазой, исследователи выбирают направление, в котором фотон проходит через волновод.

Они могут использовать ту же технику, но в обратном порядке, для приема фотона в другом модуле.

"Фотон имеет определенную частоту, определенную энергию, и вы можете подготовить модуль к его приему, настроив его на ту же частоту. Если они не находятся на одной частоте, то фотон просто пройдет мимо. Это аналогично настройке радио на определенную станцию. Если мы выберем правильную радиочастоту, мы поймаем музыку, передаваемую на этой частоте", - говорит Альманакли.

Исследователи обнаружили, что их методика достигла более чем 96-процентной точности - это означает, что если они намеревались испустить фотон вправо, в 96 процентах случаев он попадал вправо.

Теперь, когда они использовали этот метод для эффективного излучения фотонов в определенном направлении, исследователи хотят подключить несколько модулей и использовать этот процесс для излучения и поглощения фотонов. Это стало бы важным шагом на пути к разработке модульной архитектуры, которая объединяет множество процессоров меньшего масштаба в один крупномасштабный и более мощный квантовый процессор.

Исследование частично финансируется Центром квантовых вычислений AWS, Исследовательским управлением армии США, Управлением науки Министерства энергетики, Национальными исследовательскими центрами квантовой информатики, Центром совместного проектирования Quantum Advantage и Министерством обороны.