Quantumcomputers (QC) staan ​​klaar om belangrijke vooruitgang te boeken in verschillende domeinen, inclusief medicijnen, materiaalwetenschap en internetbeveiliging. Hoewel de huidige QC-systemen klein zijn, verschillende industriële en academische inspanningen zijn aan de gang om grote systemen te bouwen met vele honderden qubits.

Hiernaar toe, computerwetenschappers van Princeton University en natuurkundigen van Duke University werkten samen om methoden te ontwikkelen om de volgende generatie kwantumcomputers te ontwerpen. Hun onderzoek richtte zich op QC-systemen die zijn gebouwd met behulp van opgesloten ionen (TI) -technologie, wat een van de huidige toonaangevende QC-hardwaretechnologieën is. Door computerarchitectuurtechnieken en apparaatsimulaties samen te brengen, het team toonde aan dat het co-ontwerpen van hardware op korte termijn met applicaties de betrouwbaarheid van TI-systemen tot vier ordes van grootte kan verbeteren.

Hun onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van het Software-Tailored Architecture for Quantum co-design (STAQ) project, een door de NSF gefinancierde gezamenlijke onderzoeksinspanning om een ​​quantumcomputer met ingesloten ionen te bouwen en het NSF CISE Expedition in Computing Enabling Practical-Scale Quantum Computing (EPiQC)-project. Het werd onlangs gepubliceerd in het 2020 ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture.

Op weg naar grotere quantumcomputers met ingesloten ionen

Trapped-ionen (TI) zijn een van de belangrijkste kandidaten voor het bouwen van qubits (kwantumbits). In een TI-systeem, atomaire ion-qubits (zoals een calcium- of ytterbium-ion) worden geïsoleerd en gevangen in een elektrisch veld. Om kwantuminformatie op te slaan, de interne atomaire toestanden van de ionen worden gebruikt om de 0 en 1 qubit-toestanden weer te geven. Door de ionen te pulseren met behulp van zorgvuldig afgestemde lasers, deze systemen kunnen poorten (instructies) uitvoeren op deze informatie, wat leidt tot berekeningen die veel sneller kunnen lopen dan op een standaard "klassieke" computer. Bedrijven zoals IonQ, schat, en Alpine Quantum-technologieën, evenals academische groepen zoals de onze aan de Duke University, werken aan het bouwen van QC-systemen met behulp van dergelijke hardware. Gepubliceerde resultaten over enkele ionenketens omvatten de volledige controle van 11 qubits bij IonQ en kwantumsimulaties op 53 qubits aan de Universiteit van Maryland.

Hoewel de huidige TI-apparaten veelbelovend zijn gebleken, grotere apparaten met 50 tot 100 qubits zijn nodig om voordelen ten opzichte van klassiek computergebruik aan te tonen. Echter, de meeste huidige TI-apparaten hebben een fundamenteel knelpunt voor schaalvergroting:ze zijn gebaseerd op een monolithische single-trap-architectuur, waarbij alle ionen zich in dezelfde vangzone bevinden. In deze architectuur qubit-controle en gate-implementatie worden steeds uitdagender naarmate er meer ionen aan de val worden toegevoegd.

Deze moeilijkheden erkennend, een alternatieve schaalbare architectuur, Quantum Charged Coupled Device (QCCD) genoemd, werd al in 2002 voorgesteld. Een QCCD-systeem bestaat uit een reeks vallen, elk met een klein aantal ionen, in plaats van een enkele grote val.

Net als bij single-trap architecturen, poorten kunnen worden uitgevoerd op een of meer ionen die zich samen in een val bevinden. Om verstrikking tussen vallen mogelijk te maken, QCCD gebruikt ion-shuttling om ionen over het systeem te communiceren. Dat is, wanneer een bewerking van twee qubits moet worden uitgevoerd op een paar ionen die zich in verschillende vallen bevinden, een van de ionen wordt fysiek verplaatst naar de andere val, co-lokalisatie van de ionen voordat de poort wordt uitgevoerd. In de afgelopen twee decennia, alle handelingen die nodig zijn voor het bouwen van deze systemen zijn ontwikkeld en aangescherpt. Onlangs, Honeywell heeft deze componenten geïntegreerd om het eerste QCCD-systeem met 4 qubits te bouwen.

Het ontwerpen van de volgende generatie QCCD-systemen

Om de volgende generatie QCCD-systemen te bouwen met 50 tot 100 qubits, hardware-ontwerpers moeten verschillende tegenstrijdige ontwerpkeuzes aanpakken. "Hoeveel ionen moeten we in elke val plaatsen? Welke communicatietopologieën werken goed voor QC-toepassingen op korte termijn? Wat zijn de beste methoden voor het implementeren van poorten en shuttle-operaties in hardware? Dit zijn belangrijke ontwerpvragen die ons werk probeert te beantwoorden, " zei Prakash Murali, een afgestudeerde student aan de Princeton University. Hoewel er individuele experimenten zijn uitgevoerd om een ​​aantal van deze keuzes te begrijpen, er zijn geen studies over de impact van deze keuzes op applicaties en hun algehele compromissen tussen prestaties en betrouwbaarheid op systeemniveau. Verder, hardwareontwerpers hebben te maken met onbetrouwbare poorten en andere beperkingen van systemen op korte termijn en ondersteunen nog steeds een evoluerende mix van kwantumtoepassingen.

Om deze ontwerpkeuzes efficiënt te bestuderen, de onderzoekers bouwden een ontwerptoolstroom die de betrouwbaarheid schat, uitvoeringstijd en andere statistieken voor een set kwantumprogramma's op een gespecificeerd QCCD-apparaat. Deze toolflow bestaat uit twee delen. Het eerste deel is een compiler die het programma toewijst aan de primitieve bewerkingen die beschikbaar zullen zijn op QCCD-systemen. Omdat pendelen foutgevoelig en tijdrovend is, de compiler probeert de algehele betrouwbaarheid en prestaties van de applicatie te verbeteren door de totale hoeveelheid pendelen te minimaliseren. Het tweede deel is een QCCD-simulator die realistische prestatie- en ruismodellen voor QCCD-systemen gebruikt, afgeleid van hardwarekarakteriseringswerken, om de kwaliteit van een applicatie-uitvoering in te schatten. "Samen, deze componenten stellen ons in staat om automatisch een grote ontwerpruimte te karakteriseren en de impact van apparaatarchitectuur over applicaties te testen, ' zei Murori.

Met behulp van deze toolstroom, ze identificeerden een goede plek van 15 tot 25 ionen per val die waarschijnlijk goed zal werken in alle toepassingen, biedt de beste afweging tussen poortfouten bij hoge trapgroottes en pendelfouten bij lage trapgroottes. Algemeen, ze toonden aan dat het afstemmen van de architecturale kenmerken van het systeem, zoals het aantal ionen in een val en topologie, de betrouwbaarheid van applicatie-uitvoeringen met maar liefst drie ordes van grootte kan beïnvloeden. Verder, het optimaliseren van de low-level gate-implementaties en pendelmethoden kan de betrouwbaarheid verder verbeteren met een andere orde van grootte. "Door de manier waarop deze verschillende keuzes op elkaar inwerken te begrijpen, ons werk maakt QCCD-systemen mogelijk die op korte termijn nuttige berekeningen kunnen uitvoeren, voordat kwantumcomputers groot genoeg zijn om echt betrouwbaar te worden, " zei onderzoeker Dripto Debroy, een afgestudeerde student aan de Duke University.

Computerarchitectuur en op simulatie gebaseerd ontwerp zijn een belangrijke factor geweest voor technologische vooruitgang in klassieke informatica. Door gebruik te maken van deze technieken voor QC-ontwerp en een volledig systeemoverzicht van de ontwerpruimte aan te nemen, in plaats van alleen te focussen op hardware, deze studie wil de voortgang naar de volgende belangrijke mijlpaal van 50 tot 100 qubits versnellen. Momenteel zijn de twee meest veelbelovende ideeën voor het schalen naar duizenden ionen grote QCCD-systemen en fotonische verbindingen tussen kleine QCCD-systemen. Deze architectuurstudie van QCCD-apparaten op korte termijn heeft het potentieel om QC-hardwareontwerp voor beide toekomstige richtingen te sturen.