Komputer kwantowy z 18-kubitowym procesorem krzemowym sam sobą zarządza. HRL pokazuje, jak to wygląda w praktyce

Kubity same w sobie nie tworzą komputera kwantowego. Każdy trzeba wysterować, podać precyzyjnie zsynchronizowany impuls mikrofalowy, odczytać stan, powtórzyć operację tysiące razy na sekundę. Do tej pory robiły to szafy elektroniki stojące w temperaturze pokojowej, połączone z procesorem chłodzonym niemal do zera absolutnego. Przy kilkudziesięciu kubitach to uciążliwe, przy milionach fizycznie niewykonalne. HRL Laboratories ma na to inny pomysł.

HRL Laboratories pokazuje w Nature procesor kwantowy, który wykonuje korekcję błędów wewnątrz kriostatu, bez udziału elektroniki pracującej w temperaturze pokojowej. To krok w stronę architektury sterowania, która ma umożliwić skalowanie komputerów kwantowych bez tysięcy przewodów.

Koreański atak na litografię. Samsung chce wyprzedzić Tajwańczyków kwantowym algorytmem

Osiemnastokubitowy procesor krzemowy HRL składa się z 54 kropek kwantowych wytrawionych na 200-milimetrowych płytkach krzemowo-germanowych wzbogaconych izotopowo. To trochę jak przeniesienie kontrolera zewnętrznego do wnętrza procesora. Zamiast prowadzić setki przewodów do każdego elementu z osobna, część sterowania odbywa się tuż obok samych kubitów, co upraszcza konstrukcję i ułatwia jej skalowanie. Nowością nie są jednak same kubity, lecz otaczająca je elektronika. Cyfrowo programowalny sterownik CMOS, umieszczony razem z procesorem wewnątrz kriostatu, generuje sygnały niezbędne do pracy układu w temperaturze około 4 K (−269°C). Dotychczas zadania te wykonywały znajdujące się w temperaturze pokojowej szafy generatorów mikrofalowych i przetworników cyfrowo-analogowych, połączone z wnętrzem kriostatu setkami przewodów.

Robot Unitree G1 może operować jak maszyna za milion. Chirurdzy z Kalifornii właśnie to udowodnili

Na tej platformie badacze uruchomili kod powtórzeniowy (repetition code), najprostszą formę korekcji błędów kwantowych, w której kilka fizycznych kubitów reprezentuje jeden kubit logiczny. Wraz ze zwiększaniem liczby kubitów wykorzystanych przez kod częstość błędów malała około pięciokrotnie, zgodnie z przewidywaniami modelu opracowanego przez zespół. Co istotne, cały cykl, od generowania impulsów sterujących, przez odczyt stanu, po wykonanie procedury korekcji błędów, przebiegał bez udziału elektroniki pracującej w temperaturze pokojowej. Według autorów jest to pierwszy eksperymentalnie udokumentowany przypadek przeprowadzenia pełnego cyklu korekcji błędów z wykorzystaniem kriogenicznego kontrolera.

Współtwórca Neuralinka rzuca wyzwanie Elonowi Muskowi. Jego implant do oka właśnie podbija Europę

Konkurenci rozwijają podobne rozwiązania, choć w odmienny sposób rozdzielają funkcje między kolejne układy. Intel od 2019 roku rozwija kriogeniczny sterownik Horse Ridge, wykonany w procesie technologicznym 22FFL, a od 2024 roku uzupełnia go drugim układem, Pando Tree, przeznaczonym do pracy w zakresie temperatur milikelwinowych, jeszcze bliżej kubitów. Zespół HRL zastosował inną architekturę, integrując funkcje sterowania w jednym układzie pracującym w tej samej strefie termicznej co procesor i prezentując działanie kompletnego cyklu korekcji błędów, zamiast jedynie generowania sygnałów sterujących.

TSMC osiąga kolejny kamień milowy w produkcji wafli krzemowych 2 nm w Fab 20 na Tajwanie

Tego samego dnia na łamach Nature ukazała się również praca zespołu Undsetha i współpracowników opisująca procesor z rekonfigurowalną łącznością dalekiego zasięgu między kubitami. Obydwie publikacje wskazują na ten sam kierunek rozwoju krzemowych komputerów kwantowych. Coraz większym wyzwaniem staje się nie zwiększanie liczby kubitów, lecz efektywne sterowanie nimi, ograniczenie liczby połączeń, a także skalowanie całej architektury bez lawinowego wzrostu złożoności okablowania.

Źródło: Nature, HPCwire, TechPowerUp, Quantum Computing Report, The Quantum Insider