I computer quantistici (QC) sono pronti a guidare importanti progressi in diversi domini, compresa la medicina, scienza dei materiali e sicurezza in Internet. Sebbene gli attuali sistemi di controllo qualità siano piccoli, sono in corso diversi sforzi nell'industria e nel mondo accademico per costruire sistemi di grandi dimensioni con molte centinaia di qubit.

Verso questo, scienziati informatici della Princeton University e fisici della Duke University hanno collaborato per sviluppare metodi per progettare la prossima generazione di computer quantistici. Il loro studio si è concentrato sui sistemi di controllo qualità costruiti utilizzando la tecnologia degli ioni intrappolati (TI), che è una delle attuali tecnologie hardware QC all'avanguardia. Riunendo tecniche di architettura del computer e simulazioni di dispositivi, il team ha dimostrato che la progettazione congiunta di hardware a breve termine con applicazioni può potenzialmente migliorare l'affidabilità dei sistemi TI fino a quattro ordini di grandezza.

Il loro studio è stato condotto come parte del progetto Software-Tailored Architecture for Quantum co-design (STAQ), uno sforzo di ricerca collaborativa finanziato da NSF per costruire un computer quantistico a ioni intrappolati e il progetto NSF CISE Expedition in Computing Enabling Practical-Scale Quantum Computing (EPiQC). È stato pubblicato di recente nell'ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture del 2020.

Verso computer quantistici a ioni intrappolati più grandi

Gli ioni intrappolati (TI) sono uno dei principali candidati per la costruzione di qubit (bit quantici). In un sistema TI, i qubit di ioni atomici (come uno ione di calcio o itterbio) sono isolati e intrappolati in un campo elettrico. Per memorizzare le informazioni quantistiche, gli stati atomici interni degli ioni sono usati per rappresentare gli stati 0 e 1 qubit. Facendo pulsare gli ioni usando laser accuratamente sintonizzati, questi sistemi possono eseguire gate (istruzioni) su queste informazioni, portando a calcoli che possono essere eseguiti molto più velocemente rispetto a un computer "classico" standard. Aziende come IonQ, tesoro, e tecnologie quantistiche alpine, così come gruppi accademici come il nostro alla Duke University, stanno lavorando per costruire sistemi di controllo qualità utilizzando tale hardware. I risultati pubblicati su singole catene ioniche includono il controllo completo di 11 qubit presso IonQ e simulazioni quantistiche su 53 qubit presso l'Università del Maryland.

Sebbene gli attuali dispositivi TI abbiano mostrato notevoli promesse, sono necessari dispositivi più grandi con 50-100 qubit per dimostrare vantaggi rispetto al calcolo classico. Però, la maggior parte dei dispositivi TI attuali ha un collo di bottiglia di scalabilità fondamentale:sono basati su un'architettura monolitica a trappola singola, dove tutti gli ioni sono alloggiati nella stessa zona di intrappolamento. In questa architettura, Il controllo dei qubit e l'implementazione del gate diventano sempre più impegnativi man mano che vengono aggiunti più ioni alla trappola.

Riconoscendo queste difficoltà, un'architettura scalabile alternativa, chiamato Quantum Charged Coupled Device (QCCD) è stato proposto già nel 2002. Un sistema QCCD è composto da una serie di trappole, ciascuno contenente un piccolo numero di ioni, invece di una singola grande trappola.

Simile alle architetture single-trap, le porte possono essere eseguite su uno o più ioni che sono ubicati all'interno di una trappola. Per abilitare l'entanglement attraverso le trappole, QCCD utilizza lo spola ionico per comunicare gli ioni attraverso il sistema. Questo è, quando un'operazione a due qubit deve essere eseguita su una coppia di ioni che si trovano in trappole diverse, uno degli ioni viene spostato fisicamente nell'altra trappola, co-locazione degli ioni prima che il gate venga eseguito. Negli ultimi due decenni, tutte le operazioni necessarie alla realizzazione di questi sistemi sono state sviluppate e affinate. Recentemente, Honeywell ha integrato questi componenti per costruire il primo sistema QCCD con 4 qubit.

Progettare la prossima generazione di sistemi QCCD

Per costruire la prossima generazione di sistemi QCCD con 50-100 qubit, i progettisti di hardware devono affrontare una serie di scelte di progettazione contrastanti. "Quanti ioni dovremmo inserire in ciascuna trappola? Quali topologie di comunicazione funzionano bene per le applicazioni di controllo qualità a breve termine? Quali sono i metodi migliori per implementare le porte e le operazioni di spola nell'hardware? Queste sono domande chiave di progettazione a cui il nostro lavoro cerca di rispondere, " disse Prakash Murali, uno studente laureato alla Princeton University. Sebbene siano stati condotti esperimenti individuali per comprendere alcune di queste scelte, non ci sono studi sull'impatto di queste scelte sulle applicazioni e sui loro compromessi complessivi in ​​termini di prestazioni e affidabilità a livello di sistema. Per di più, i progettisti di hardware devono fare i conti con porte inaffidabili e altre limitazioni dei sistemi a breve termine e continuano a supportare un mix in evoluzione di applicazioni quantistiche.

Per studiare queste scelte progettuali in modo efficiente, i ricercatori hanno costruito un flusso di strumenti di progettazione che stima l'affidabilità, tempo di esecuzione e altre metriche per un set di programmi quantistici su un dispositivo QCCD specificato. Questo flusso di strumenti è composto da due parti. La prima parte è un compilatore che mappa il programma fino alle operazioni primitive che saranno disponibili sui sistemi QCCD. Poiché la navetta è soggetta a errori e richiede tempo, il compilatore cerca di migliorare l'affidabilità e le prestazioni complessive dell'applicazione riducendo al minimo la quantità totale di spostamenti. La seconda parte è un simulatore QCCD che utilizza prestazioni realistiche e modelli di rumore per sistemi QCCD, derivati ​​da lavori di caratterizzazione hardware, per stimare la qualità dell'esecuzione di un'applicazione. "Insieme, questi componenti ci consentono di caratterizzare automaticamente un ampio spazio di progettazione e testare l'impatto dell'architettura del dispositivo su tutte le applicazioni, ", ha detto Murali.

Utilizzando questo flusso di strumenti, hanno identificato un punto debole di 15-25 ioni per trappola che probabilmente funzionerà bene in tutte le applicazioni, fornendo il miglior compromesso tra errori di gate con trap di dimensioni elevate ed errori di spola con trap di dimensioni ridotte. Globale, hanno dimostrato che la regolazione degli attributi architetturali del sistema, come il numero di ioni in una trappola e la topologia, può influire sull'affidabilità delle esecuzioni delle applicazioni fino a tre ordini di grandezza. Ulteriore, l'ottimizzazione delle implementazioni del gate di basso livello e dei metodi di spola può migliorare ulteriormente l'affidabilità di un altro ordine di grandezza. "Capendo il modo in cui interagiscono queste diverse scelte, il nostro lavoro consente sistemi QCCD in grado di eseguire calcoli utili a breve termine, prima che i computer quantistici siano abbastanza grandi da diventare veramente affidabili, " ha detto il ricercatore Dripto Debroy, uno studente laureato alla Duke University.

L'architettura del computer e la progettazione basata sulla simulazione sono stati un fattore chiave del progresso tecnologico nell'informatica classica. Sfruttando queste tecniche per la progettazione QC e adottando una visione di sistema completa dello spazio di progettazione, piuttosto che concentrarsi solo sull'hardware, questo studio cerca di accelerare i progressi verso il prossimo importante traguardo da 50 a 100 qubit. Attualmente le due idee più promettenti per il ridimensionamento a 1000 di ioni sono i grandi sistemi QCCD e le interconnessioni fotoniche tra piccoli sistemi QCCD. Questo studio sull'architettura dei dispositivi QCCD a breve termine ha il potenziale per guidare la progettazione dell'hardware QC per entrambe le direzioni future.