یکی از چالش‌های اساسی در محاسبات کوانتومی، محدودیت اتصال کیوبیت‌ها است. این تحقیق راهکاری نوین برای محاسبات کوانتومی با ارتباط کلاسیک بی‌درنگ بین واحدهای پردازش کوانتومی (QPU) ارائه می‌دهد. این ارتباط امکان ایجاد مدارهای پویا روی حداکثر ۱۴۲ کیوبیت فعال را فراهم می‌کند و افق جدیدی را برای محاسبات کوانتومی با ارتباط کلاسیک بی‌درنگ می‌گشاید.
کامپیوترهای کوانتومی نوید بزرگی را به همراه دارند، اما سخت‌افزار فعلی با محدودیت‌هایی در اتصال کیوبیت، نویز و زمان‌های انسجام روبرو است. بسیاری از کاربردهای پیش‌بینی‌شده به کیوبیت‌ها و اتصالات بیشتری نسبت به آنچه در یک واحد پردازش کوانتومی (QPU) موجود است، نیاز دارند. یک رویکرد امیدوارکننده برای غلبه بر این محدودیت‌ها، اتصال چندین QPU از طریق کانال‌های ارتباطی کلاسیک است که آنها را قادر می‌سازد تا به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی بزرگتر و واحد عمل کنند. این تحقیق، تحقق تجربی این مفهوم را نشان می‌دهد و ایجاد حالت‌های کوانتومی پیچیده را با استفاده از حداکثر ۱۴۲ کیوبیت توزیع‌شده در دو QPU به هم پیوسته، به نمایش می‌گذارد.
معماری محاسبات کوانتومی ماژولار
رویکرد ماژولار به محاسبات کوانتومی، چالش‌های مقیاس‌پذیری را که دستگاه‌های کوانتومی در مقیاس متوسط پر نویز (NISQ) با آن مواجه هستند، برطرف می‌کند. اتصال QPU های کوچکتر و قابل مدیریت‌تر، امکان انعطاف‌پذیری بیشتر و به طور بالقوه عملکرد کلی بالاتر را در مقایسه با ساخت پردازنده‌های یکپارچه و در مقیاس بزرگ فراهم می‌کند. این تحقیق دو روش اصلی را برای پیاده‌سازی تعاملات دوربرد در یک معماری ماژولار بررسی می‌کند: عملیات محلی (LO) و عملیات محلی و ارتباط کلاسیک (LOCC).
عملیات محلی (LO)
طرح LO شامل انجام چندین مدار کوانتومی روی QPU های جداگانه است که از پردازش پسینی کلاسیک برای ترکیب نتایج استفاده می‌شود. این رویکرد پیاده‌سازی را ساده می‌کند زیرا نیازی به ارتباط کلاسیک بی‌درنگ در حین اجرای مدار ندارد. با این حال، اغلب منجر به سربار نمونه‌برداری بالاتر می‌شود و به اجرای مدارهای جداگانه بیشتری برای دستیابی به دقت مورد نظر نیاز دارد.
عملیات محلی و ارتباط کلاسیک (LOCC)
LOCC از ارتباط کلاسیک بی‌درنگ بین QPU ها استفاده می‌کند و مدارهای پویا را امکان‌پذیر می‌سازد که در آن عملیات گیت به نتایج اندازه‌گیری در اواسط مدار مشروط می‌شوند. این امر ایجاد گیت‌های مجازی را امکان‌پذیر می‌کند و به طور موثر اتصال کیوبیت را فراتر از محدودیت‌های فیزیکی سخت‌افزار گسترش می‌دهد. در حالی که LOCC پیچیدگی ارتباط بی‌درنگ را به همراه دارد، مزایای قابل توجهی از نظر کارایی کامپایل و کاهش سربار نمونه‌برداری در مقایسه با LO ارائه می‌دهد.
نمایش تجربی
این تحقیق اثربخشی LO و LOCC را با مهندسی حالت‌های کوانتومی پیچیده، از جمله حالت‌های گراف با شرایط مرزی تناوبی و حالت‌هایی که چندین QPU را در بر می‌گیرند، نشان می‌دهد. این آزمایش‌ها از پردازنده‌های Eagle شرکت کوانتوم IBM، که هر کدام شامل ۱۲۷ کیوبیت هستند و توسط یک لینک کلاسیک بی‌درنگ به هم متصل شده‌اند، استفاده می‌کنند.
کاهش و سرکوب خطا
یک چالش کلیدی در پیاده‌سازی مدارهای پویا با LOCC، تاخیر ایجاد شده توسط ارتباط کلاسیک و سخت‌افزار کنترل است. این تحقیق ترکیبی از جدا سازی دینامیکی و برون‌یابی نویز صفر (ZNE) را برای کاهش و سرکوب خطاهای ناشی از این تاخیر به کار می‌گیرد. جداسازی دینامیکی، دنباله‌ای از پالس‌ها را برای لغو تعاملات ناخواسته در طول دوره‌های بیکاری اعمال می‌کند، در حالی که ZNE نتایج را به حد تاخیر صفر برون‌یابی می‌کند و به طور موثر تاثیر تاخیر را بر روی مقادیر مشاهده‌شده حذف می‌کند.
حالت‌های گراف با شرایط مرزی تناوبی
این تحقیق، ایجاد یک حالت گراف ۱۰۳-گرهی با شرایط مرزی تناوبی را بر روی یک پردازنده Eagle نشان می‌دهد. این امر توانایی گسترش اتصال کیوبیت فراتر از شبکه مسطح اعمال شده توسط سخت‌افزار را نشان می‌دهد. محققان عملکرد گیت‌های SWAP، LO و LOCC را برای پیاده‌سازی لبه‌های دوربرد مورد نیاز برای شرایط مرزی تناوبی مقایسه می‌کنند. نتایج نشان می‌دهد که LO و LOCC به طور قابل توجهی از رویکرد مبتنی بر SWAP بهتر عمل می‌کنند و به خطاهای کمتری دست می‌یابند و با موفقیت درهم‌تنیدگی را در تمام لبه‌ها مشاهده می‌کنند.
اتصال دو QPU به عنوان یک واحد
مهمترین دستاورد این تحقیق، نمایش یک اتصال کلاسیک بی‌درنگ بین دو QPU Eagle جداگانه است. این امر اجرای مدارهای کوانتومی را که هر دو دستگاه را در بر می‌گیرد، امکان‌پذیر می‌سازد و به طور موثر آنها را به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی بزرگتر و واحد عمل می‌کند. محققان این را با ایجاد یک حالت گراف ۱۳۴-کیوبیتی که از طریق هر دو QPU پیچیده می‌شود و نیاز به چهار گیت دوربرد پیاده‌سازی شده با LO و LOCC دارد، نشان می‌دهند. نتایج، تولید موفقیت‌آمیز درهم‌تنیدگی و عملکرد قابل مقایسه با یک حالت گراف معیار بدون گیت‌های دوربرد را نشان می‌دهد.
بحث و جهت‌گیری‌های آینده
این تحقیق امکان‌سنجی استفاده از ارتباط کلاسیک بی‌درنگ را برای اتصال چندین QPU و ایجاد حالت‌های کوانتومی پیچیده اثبات می‌کند. تکنیک‌های کاهش خطای به کار رفته به طور موثر چالش‌های تاخیر را برطرف می‌کنند و نتایج با کیفیتی بالا را امکان‌پذیر می‌سازند. تحقیقات بیشتر بر کاهش سربار نمونه‌برداری مرتبط با برش مدار، بررسی رویکردهای جایگزین مانند توزیع درهم‌تنیدگی در چندین تراشه و استفاده از حالت‌های درهم‌تنیده غیرحداکثری متمرکز خواهد بود. این پیشرفت‌ها راه را برای یک معماری محاسبات کوانتومی ماژولار مقیاس‌پذیرتر و متنوع‌تر هموار خواهد کرد.
توسعه مدارهای پویا با کاهش خطا و ارتباط کلاسیک بی‌درنگ، گامی مهم به سوی تحقق پتانسیل کامل محاسبات کوانتومی است. با اتصال چندین QPU، محققان می‌توانند بر محدودیت‌های سخت‌افزاری فعلی غلبه کنند و طیف وسیع‌تری از کاربردها، از جمله شبیه‌سازی همیلتونی و محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری را بررسی کنند. این تحقیق پایه و اساسی را برای آینده‌ای فراهم می‌کند که در آن پردازنده‌های کوانتومی توزیع‌شده به طور یکپارچه برای مقابله با مسائل محاسباتی پیچیده با هم کار می‌کنند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: nature
