מה מועיל מחשב חזק אם אינך יכול לקרוא את הפלט שלו? או לתכנת אותו מחדש בקלות לעשות עבודות שונות? אנשים שמעצבים מחשבים קוונטיים מתמודדים עם האתגרים האלה, ומכשיר חדש עשוי להקל עליהם לפתור.
המכשיר, שהוצג על ידי צוות מדענים במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST), כולל שני סיביות קוונטיות מוליכות-על, או קיוביטים, שהם אנלוגיים של מחשב קוונטי לסיביות הלוגיות בשבב העיבוד של מחשב קלאסי. ליבה של האסטרטגיה החדשה הזו מסתמך על התקן "מתג מתג" המחבר את הקיוביטים למעגל הנקרא "מהוד קריאה" שיכול לקרוא את הפלט של חישובי הקיוביטים.
ניתן להעיף מתג חילוף זה למצבים שונים כדי להתאים את עוצמת החיבורים בין הקיוביטים לבין מהוד הקריאה. כאשר כבוי, כל שלושת האלמנטים מבודדים זה מזה. כאשר המתג מופעל כדי לחבר את שני הקיוביטים, הם יכולים לקיים אינטראקציה ולבצע חישובים. לאחר השלמת החישובים, מתג ההחלפה יכול לחבר אחד מהקווביטים ומהוד הקריאה כדי לאחזר את התוצאות.
ברשותו של מתג מתג ניתן לתכנות מובילה דרך ארוכה להפחתת הרעש, בעיה נפוצה במעגלי מחשב קוונטיים שמקשה על קיוביטים לבצע חישובים ולהראות את התוצאות שלהם בבירור.
"המטרה היא לשמור על הקיוביטים מאושרים כדי שיוכלו לחשב ללא הסחות דעת, תוך כדי יכולת לקרוא אותם כשאנחנו רוצים", אמר ריי סימונדס, פיזיקאי NIST ואחד ממחברי המאמר. "ארכיטקטורת המכשיר הזו עוזרת להגן על הקיוביטים ומבטיחה לשפר את היכולת שלנו לבצע את המדידות הנאמנות הנדרשות לבניית מעבדי מידע קוונטי מקיוביטים."
הצוות, הכולל גם מדענים מאוניברסיטת מסצ'וסטס לואל, אוניברסיטת קולורדו בולדר ו-Raytheon BBN Technologies, מתאר את תוצאותיו במאמר שפורסם היום ב- פיזיקת הטבע.
מחשבים קוונטיים, שעדיין נמצאים בשלבי פיתוח, ירתמו את התכונות המוזרות של מכניקת הקוונטים כדי לבצע עבודות שאפילו המחשבים הקלאסיים החזקים ביותר שלנו מוצאים אותם בלתי ניתנים לפתרון, כמו סיוע בפיתוח תרופות חדשות על ידי ביצוע סימולציות מתוחכמות של אינטראקציות כימיות .
עם זאת, מעצבי מחשבים קוונטיים עדיין מתמודדים עם בעיות רבות. אחד מהם הוא שמעגלים קוונטיים נבעטים על ידי רעש חיצוני או אפילו פנימי, הנובע מפגמים בחומרים המשמשים לייצור המחשבים. רעש זה הוא בעצם התנהגות אקראית שיכולה ליצור שגיאות בחישובי קיוביט.
קיוביטים של ימינו הם מטבעם רועשים בפני עצמם, אבל זו לא הבעיה היחידה. לעיצובים רבים של מחשבים קוונטיים יש מה שנקרא ארכיטקטורה סטטית, כאשר כל קיוביט במעבד מחובר פיזית לשכניו ולתהוד הקריאה שלו. החיווט המפוברק המחבר קוויביטים זה לזה ולקריאה שלהם יכול לחשוף אותם לרעש עוד יותר.
לארכיטקטורות סטטיות כאלה יש חיסרון נוסף: לא ניתן לתכנת אותן מחדש בקלות. קיוביטים של ארכיטקטורה סטטית יכולים לעשות כמה עבודות קשורות, אבל כדי שהמחשב יבצע מגוון רחב יותר של משימות, הוא יצטרך להחליף עיצוב מעבד אחר עם ארגון או פריסה אחרת של קיוביט. (דמיין שאתה משנה את השבב במחשב הנייד שלך בכל פעם שאתה צריך להשתמש בתוכנה אחרת, ולאחר מכן קחו בחשבון שצריך לשמור על השבב קצת מעל האפס המוחלט, ותבינו למה זה עלול להתברר כבלתי נוח.)
מתג ההחלפה הניתן לתכנות של הצוות עוקף את שתי הבעיות הללו. ראשית, הוא מונע מרעש המעגל לזחול לתוך המערכת דרך מהוד הקריאה ומונע מהקיוביטים לנהל שיחה אחד עם השני כשהם אמורים להיות שקטים.
"זה מקטין את מקור הרעש העיקרי במחשב קוונטי", אמר סימונדס.
שנית, הפתיחה והסגירה של המתגים בין אלמנטים נשלטים עם רכבת של פולסים של מיקרוגל הנשלחים ממרחק, ולא דרך חיבורים פיזיים של ארכיטקטורה סטטית. שילוב של יותר ממתגי החלפה הללו יכול להיות הבסיס למחשב קוונטי קל יותר לתכנות. פעימות המיקרוגל יכולות גם להגדיר את הסדר והרצף של פעולות לוגיות, כלומר שבב שנבנה עם רבים ממתגי המעבר של הצוות יכול לקבל הוראה לבצע כל מספר של משימות.
"זה הופך את השבב לניתן לתכנות", אמר סימונדס. "במקום לקבל ארכיטקטורה קבועה לחלוטין על השבב, אתה יכול לבצע שינויים באמצעות תוכנה."
יתרון אחרון הוא שמתג המיתוג יכול גם להפעיל את המדידה של שני הקיוביטים בו זמנית. היכולת הזו לבקש משני הקיוביטים לחשוף את עצמם כזוג חשובה למעקב אחר שגיאות חישוב קוונטיות.
הקיוביטים בהדגמה זו, כמו גם מתג ההחלפה ומעגל הקריאה, היו כולם עשויים מרכיבים מוליכים שמוליכים חשמל ללא התנגדות וחייבים להפעיל אותם בטמפרטורות קרות מאוד. מתג המיתוג עצמו עשוי ממכשיר הפרעות קוונטי מוליך-על, או "SQUID", שרגיש מאוד לשדות מגנטיים העוברים דרך הלולאה שלו. הנעת זרם מיקרוגל דרך לולאת אנטנה סמוכה יכולה לגרום לאינטראקציות בין הקיוביטים לבין מהוד הקריאה בעת הצורך.
בשלב זה, הצוות עבד רק עם שני קיוביטים ומהוד קריאה בודד, אבל סימונדס אמר שהם מכינים עיצוב עם שלושה קיוביטים ומהוד קריאה, ויש להם תוכניות להוסיף גם קיוביטים ומהודים נוספים. מחקר נוסף יכול להציע תובנות כיצד לחבר רבים מההתקנים הללו יחד, ואולי להציע דרך לבנות מחשב קוונטי רב עוצמה עם מספיק קיוביטים כדי לפתור את סוגי הבעיות שבינתיים בלתי ניתנות לפתרון.
קישור לכתבת המקור – 2023-06-26 23:41:57
