חוקרים במעבדת קללנד בבית הספר להנדסה מולקולרית של אוניברסיטת שיקגו, כולל (משמאל) הבוגר Haoxiong Yan, המועמד לדוקטורט Xuntao Wu ופרופ' אנדרו קללנד, הבינו עיצוב חדש למעבד קוונטי מוליך-על. (צילום: John Zich)
שיקגו -תארו לעצמכם מחשב שיכול לפצח קודי הצפנה, לחולל מהפכה בתחום הבריאות ולפתור חידות חישוביות בלתי אפשריות עבור המכונות החזקות ביותר של ימינו. זה לא מדע בדיוני - זה הגבול המבטיח של מחשוב קוונטי, וחוקרים מאוניברסיטת שיקגו מקרבים אותנו צעד אחד יותר להפיכתו למציאות.
במחקר פורץ דרך שפורסם בסקירה פיזית X, מדענים שדמיינו מחדש את, יצירת עיצוב שיכול להגדיל באופן דרמטי את הפוטנציאל של מכונות מתקדמות במיוחד אלה. שלא כמו שבבי מחשב מסורתיים שמסדרים יחידות עיבוד ברשת קשיחה, המעבד הקוונטי החדש הזה משתמש ב"נתב" מרכזי המאפשר לקיוביטים - היחידות הבסיסיות של מידע קוונטי - להתחבר ולתקשר בצורה חופשית יותר.
"אלא בהכרח יתחרה עם מחשב קלאסי בדברים כמו גודל זיכרון או גודל מעבד", מסביר פרופסור אנדרו קללנד בהודעה לתקשורת. "במקום זאת, הם מנצלים קנה מידה שונה מהותית: הכפלת כוח החישוב של מחשב קלאסי דורשת מעבד גדול פי שניים, או פי שניים ממהירות השעון. הכפלת מחשב קוונטי דורשת רק קיוביט נוסף אחד."
תחשוב על זה כמו לשדרג משכונה שבה אנשים יכולים לדבר רק עם שכניהם המיידיים לעיר עם רשת תקשורת חזקה שבה כל אחד יכול להתחבר באופן מיידי. בנוף המחשוב הקוונטי הנוכחי,מוגבלים בדרך כלל לאינטראקציה רק עם שכניהם הקרובים ביותר. צוות אוניברסיטת שיקגו יצר עיצוב שמפרק את מחסומי התקשורת הללו.
"דמיין שיש לך מחשב קלאסי שיש לו לוח אם המשלב המון רכיבים שונים, כמו המעבד או ה-GPU שלך, זיכרון ואלמנטים אחרים. חלק מהמטרה שלנו היא להעביר את המושג הזה לתחום הקוונטי", אומר Xuntao Wu, מועמד לדוקטורט ומחבר ראשי של המחקר.

ההשלכות האפשריות הן עמוקות. מחשבים קוונטיים יכולים לשנות תחומים מגוונים כמו טלקומוניקציה, אנרגיה נקייה והצפנה. עם זאת, שני אתגרים קריטיים עיכבו את האימוץ הנרחב: מדרגיות ו. העיצוב החדש נותן מענה לאתגרים הללו על ידי יצירת מערכת מודולרית שבה ניתן לארגן ולחבר קיוביטים בצורה גמישה יותר.
"באופן עקרוני אין הגבלה למספר הקיוביטים שיכולים להתחבר דרך הנתבים", מסביר וו. "אתה יכול לחבר יותר קיוביטים אם אתה רוצה יותר כוח עיבוד, כל עוד הם מתאימים לטביעת רגל מסוימת."
מעבדים קוונטיים נוכחיים מתוכננים בדרך כלל כשבבים שטוחים ומרובעים כאשר כל קיוביט יכול לקיים אינטראקציה רק עם כמה קיוביטים שכנים. מגבלה זו מגבילה את כוח החישוב של המעבד והופכת ייצור בקנה מידה גדול למאתגר. העיצוב החדש מציע גישה מתאימה יותר, בדומה לאופן שבו לוחות אם מודרניים של מחשבים משלבים רכיבים שונים.
החוקרים בוחנים כעת דרכים להרחיב עוד יותר את העיצוב שלהם, כולל הגדלת המרחק שבו ניתן להסתבך קיוביטים ופיתוח פרוטוקולים לקישור.
למרות שעדיין לא הגענו לנקודה של מחשבים קוונטיים בבתים שלנו, המחקר הזה מייצג צעד משמעותי לעבר מערכות מחשוב קוונטי חזקות וגמישות יותר שיוכלו לפתור יום אחד כמה מהדברים הכי קשים של האנושות..
סיכום נייר
מֵתוֹדוֹלוֹגִיָה
החוקרים השתמשו בטכניקות מתקדמות של מידוד קוונטי, כולל Benchmarking אקראי (RB) ו-Cross-Entropy Benchmarking (XEB), כדי למדוד את נאמנות השערים הקוונטיים שלהם. ההגדרה הניסיונית כללה ארבעה קיוביטים מוליכים-על הניתנים לכוונון תדר המחוברים באמצעות אלמנט ניתוב מרכזי שסיפק קישוריות הכל לכל.
שיטות כיול שונות הבטיחו שליטה מדויקת והפרעות מינימליות. לדוגמה, השער Controlled-Z (CZ) כייל באמצעות מדידות פאזה כדי להבטיח נאמנות גבוהה, בעוד שער iSWAP היה מכוון להעברת אנרגיה אופטימלית בין קיוביטים. סימולציות מספריות תמכו בתוצאות הניסוי על ידי מודל דינמיקה של קוויביט ופעולות שער.
תוצאות מפתח
המחקר הדגים נאמנות שערים מרשימה, כאשר שערי CZ ו-iSWAP השיגו נאמנות מעל 97%. תוצאות אלו היו עקביות על פני מספר ניסויי בנצ'מרקינג. יש לציין כי החוקרים הפחיתו שגיאות עקב ביטול הפאזה של קיוביט ורעש מערכת על ידי חידוד הנדסה ברמת הדופק. בנוסף, עיצוב המעבד הקוונטי המודולרי שלהם הוכיח יכולת הרחבה ביותר, מה שסלל את הדרך למערכות קוונטיות גדולות ויעילות יותר.
מגבלות לימוד
בעוד שהמערכת השיגה נאמנות שערים גבוהות, נותרו אתגרים. הקיוביטים היו רגישים לביטול פאזה עקב זמני קוהרנטיות קצרים יחסית, מה שהגביל את הביצועים שלהם. מגבלה נוספת הייתה התפוסה התרמית של המתגים, שעלולה לפגוע בנאמנות. שיפורים במאפייני הקוהרנטיות ובניהול תרמי נחוצים להגדלת המערכת מבלי לפגוע בביצועים.
דיון והנחות
מחקר זה מדגיש את הפוטנציאל של ארכיטקטורות קוונטיות מודולריות בהשגת מחשוב קוונטי ניתן להרחבה. הנאמנות הגבוהה שהוכחה ושיטות הצימוד האפקטיביות הופכות את הגישה לכדאית עבור אלגוריתמים קוונטיים מורכבים. עם זאת, טיפול בבעיות קוהרנטיות ותרמיות הוא קריטי להתקדמות עתידית. החוקרים גם הדגישו את החשיבות של טכניקות כיול חזקות כדי למזער שגיאות ולמקסם את ביצועי השער. עבודה זו מניחה את הבסיס לשילוב עיצובים מודולריים ברשתות קוונטיות גדולות יותר.
מימון וגילויים
המחקר קיבל תמיכה ממשרד המחקר והמעבדה של הצבא למדעי הפיזיקה (מענק ARO מס' W911NF2310077) והמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר (מענק AFOSR מס' FA9550-20-1-0270). החוקרים לא חשפו ניגודי אינטרסים, מה שמבטיח את שלמות הממצאים.
StudyFinds יוצאת למצוא מחקר חדש שמדבר לקהל המוני - בלי כל הז'רגון המדעי. הסיפורים שאנו מפרסמים הם גרסאות מחקר מסוככות לעיכול שנועדו ליידע את הקורא וגם לעורר ויכוח אזרחי ומשכיל. מאמרי צוות StudyFinds נעזרים בבינה מלאכותית, אך תמיד נבדקים ונערכים ביסודיות על ידי איש צוות של Study Finds. קרא את מדיניות הבינה המלאכותית שלנו למידע נוסף.