وقتی مدولاریتی به مهندسی کوانتومی می رسد

وقتی مدولاریتی به مهندسی کوانتومی می رسد

0 نظرات نگار بابایی

6 دقیقه

مدولاریتی با مهندسی کوانتومی دیدار می‌کند

مهندسان دانشکده مهندسی گریگر، دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین، یک معماری مدولار عملی برای پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا را نشان داده‌اند که می‌توان آن را با فیدلیتی بسیار بالا پیوند زد و بازپیکربندی کرد. مهندسان اجزای مدولار کوانتومی ساخته‌اند که با راندمان نزدیک به کامل به هم متصل می‌شوند و امکان ساخت سامانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و قابل بازپیکربندی را فراهم می‌آورند. اعتبار تصویر: Shutterstock

این مفهوم ساده توصیف می‌شود اما در عمل دستیابی به آن دشوار است: به جای ساخت یک پردازنده کوانتومی یکپارچه حاوی هزاران یا میلیون‌ها کیوبیت، باید ماژول‌های کوچک‌تر و باکیفیت را ساخت و در صورت نیاز به هم وصل کرد. این رویکرد مدولار شبیه ترکیب آجرهای LEGO برای ساخت سازه‌های پیچیده است، اما در محاسبات کوانتومی چالش اصلی حفظ همدوسی کوانتومی و کنترل دقیق بر مرزهای فیزیکی است.

چرا مدولار بودن برای مقیاس‌دهی کوانتومی اهمیت دارد

پردازنده‌های سنتی و یکپارچه ابررسانا با محدودیت‌هایی در بازده تولید، مدیریت حرارتی و پیچیدگی سیم‌کشی مواجه‌اند. نقص یا تغییرات کوچک در یک تراشهٔ بزرگ می‌تواند عملکرد کلی را کاهش دهد. معماری مدولار این مسائل را با اجازه دادن به ترکیب واحدهای بهینه‌شده مستقل، ارتقاء سخت‌افزار و تعویض ماژول‌های معیوب بدون دور ریختن کل پردازنده، حل می‌کند. نکتهٔ حیاتی این است که طراحی‌های مدولار باید فیدلیتی دروازه‌های کوانتومی را حفظ کنند و امکان کشف و تصحیح خطا را برای حرکت به سوی عملیات مقاوم در برابر خطا فراهم آورند.

در مقاله‌ای که در Nature Electronics منتشر شده است، تیم ایلینوی گزارشی از یک سامانهٔ ابررسانای مدولار ارائه می‌دهد که دستگاه‌های جداگانهٔ کیوبیت را با کابل‌های کواکسیال ابررسانا به هم متصل می‌کند. این پیوندها اجازه می‌دهند کیوبیت‌های روی ماژول‌های مختلف با هم تعامل داشته باشند و عملیات دوکیوبیتی را با فیدلیتی‌ای نزدیک به عملیات روی چیپ اجرا کنند. فیدلیتی گزارش‌شدهٔ دروازهٔ SWAP حدود 99٪ است که معادل خطای کمتر از 1٪ برای این عملیات است — آستانه‌ای که مقیاس‌دهی مدولار را عملی‌تر می‌کند.

رویکرد فنی و نتایج کلیدی

محققان دو دستگاه ابررسانای مستقل ساختند و آن‌ها را با کابل‌های کواکسیال ابررسانای کم‌اتلاف که به‌عنوان رابط‌های کوانتومی عمل می‌کنند، به هم وصل کردند. با مهندسی دقیق کوپلرها و زمان‌بندی، تبادل همدوسی از حالت‌های کوانتومی بین ماژول‌ها حاصل شد و عملیات SWAP با فیدلیتی بالا پیاده‌سازی گردید. فیدلیتی نشان‌دهنده میزان نزدیکی عملیات پیاده‌سازی‌شده به عملیات ایده‌آل است؛ فیدلیتی برابر با 1.0 به معنای یک دروازهٔ کامل و بدون خطاست.

"ما یک روش مهندسی‌پسند برای دستیابی به مدولاریتی با کیوبیت‌های ابررسانا ایجاد کرده‌ایم،" گفت Wolfgang Pfaff، استادیار فیزیک و نویسندهٔ ارشد مقاله. او تأکید کرد که نه تنها لازم است عملیات‌های درگیرکننده با کیفیت بالا میان ماژول‌ها انجام شود، بلکه باید بتوان سامانه‌ها را برای آزمایش و تعمیر از هم جدا و دوباره پیکربندی کرد.

این آزمایش نشان می‌دهد که پیوندهای مبتنی بر کابل می‌توانند به ارقامی دست یابند که مقیاس‌دهی را توجیه می‌کنند: اتصال کابلی همدوسی را حفظ کرد و تعاملاتی با کیفیت ایجاد درهم‌تنیدگی بین ماژول‌های فیزیکی فراهم آورد. این راه را برای ساخت پردازنده‌های بزرگ‌تر با دوختن ماژول‌ها کنار هم به جای اتکا صرف به چیپ‌های یکپارچهٔ هرچه بزرگ‌تر باز می‌کند.

پیامدها برای تحمل خطا و شبکه‌های کوانتومی

پیوندهای مدولار با فیدلیتی بالا گامی به سوی محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا هستند. تحمل خطا نیازمند لایه‌های متعدد است: کیوبیت‌هایی با زمان‌های همدوسی طولانی، دروازه‌های یک‌کیوبیتی و دوکیوبیتی دقیق، اتصال قابل‌اطمینان بین کیوبیت‌ها و سازوکارهای قدرتمند کشف و تصحیح خطا. معماری‌های مدولار می‌توانند برخی جنبه‌های تصحیح خطا را ساده‌تر کنند، زیرا خطاها را به ماژول‌های منفرد محدود کرده و امکان جایگزینی گرم (hot-swappable) را فراهم می‌آورند.

علاوه بر این، مدولاریتی مبتنی بر کابل برای طراحی‌های شبکه‌های کوانتومی و محاسبات توزیع‌شده که در آن پردازنده‌های جداگانه اطلاعات کوانتومی را از طریق پیوندها ردوبدل می‌کنند، روشنگر است. این رویکرد مکمل استراتژی‌های دیگر رابط کوانتومی مانند پیوندهای فوتونیک یا مبدل‌های مایکروویو-به-اپتیکال است و ممکن است به‌ویژه برای پلتفرم‌های ابررسانا مزایایی داشته باشد.

دیدگاه خبره

دکتر Maria Hernandez، مهندس سامانه‌های کوانتومی در یک آزمایشگاه ملی، اظهار داشت: "رسیدن به فیدلیتی حدود 99٪ برای SWAP میان ماژول‌ها یک نقطهٔ عطف معنادار است. این نشان می‌دهد که محدودیت‌های مهندسی عملی رابط‌ها — اتلاف، تطبیق امپدانس و مهار حرارتی — را می‌توان برطرف کرد در حالی که همدوسی کوانتومی حفظ می‌شود. چالش بعدی، یکپارچه‌سازی کشف خطا و افزایش تعداد ماژول‌های متصل‌شده بدون وارد شدن تداخل متقاطع یا سربار کنترلی است که مزایای مدولار بودن را خنثی کند."

گام‌های بعدی و چالش‌ها

تیم ایلینوی قصد دارد آزمایش را گسترش دهد تا بیش از دو ماژول را به هم وصل کند و در عین حال توانایی کشف و تصحیح خطا را حفظ نماید. مقیاس‌دهی نیازمند مهندسی سطح‌سیستم دقیق خواهد بود: خطوط کنترل چندپلکس‌شده، بسته‌بندی در دمای پایین، رابط‌های کم‌اتلاف و پروتکل‌های نرم‌افزاری برای زمان‌بندی دروازه‌های توزیع‌شده و پیگیری خطاها. محققان همچنین روش‌های مبتنی بر کابل را با دیگر فناوری‌های رابط مقایسه خواهند کرد تا مبادلات بهینه برای سامانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ را تعیین کنند.

نتیجه‌گیری

پردازنده‌های کوانتومی ابررسانای مدولار که از طریق کابل‌های کواکسیال ابررسانا به هم متصل می‌شوند، مسیری امیدوارکننده به سوی ساخت رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر، قابل بازپیکربندی و قابل ارتقا ارائه می‌دهند. با نشان دادن فیدلیتی نزدیک به 99٪ برای دروازهٔ SWAP بین دستگاه‌های جداگانه، تیم دانشکده مهندسی گریگر یک نقشهٔ عملی برای دوختن سامانه‌های کوانتومی بزرگ‌تر در حالی که کیفیت دروازه حفظ می‌شود، فراهم کرده است — پیشرفتی مهم در مسیر رسیدن به محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا.

منبع: sciencedaily

من نگارم، عاشق آسمون و کشف ناشناخته‌ها! اگر مثل من از دیدن تلسکوپ و کهکشان‌ها ذوق‌زده می‌شی، مطالب من رو از دست نده!

نظرات

ارسال نظر

مطالب مرتبط