Ripensare il chip quantistico

Questo studio promette un’efficiente scalabilità verso circuiti quantistici su larga scala e offre un percorso per implementare algoritmi quantistici e schemi di correzione degli errori che beneficiano di una migliore connettività dei qubit

I qubit superconduttori forniscono un approccio promettente al calcolo quantistico con tolleranza ai guasti su larga scala. Tuttavia, la connettività dei qubit su una superficie planare è generalmente limitata solo a pochi qubit vicini. Il raggiungimento di una connettività a lungo raggio e più flessibile, che è particolarmente interessante alla luce dei recenti sviluppi nei codici di correzione degli errori, tuttavia, di solito comporta complessi imballaggi multistrato e cablaggi esterni, che richiedono molte risorse e possono imporre limitazioni di fedeltà.

I ricercatori della UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) hanno realizzato un nuovo progetto per un processore quantistico superconduttore, puntando a una potenziale architettura per i dispositivi durevoli e su larga scala richiesti dalla rivoluzione quantistica.

A differenza del tipico design di chip quantistici che posiziona i qubit di elaborazione delle informazioni su una griglia 2D, il team del Cleland Lab (1) ha progettato un processore quantistico modulare comprendente un router riconfigurabile come hub centrale. Ciò consente a due qubit qualsiasi di connettersi e intrecciarsi, mentre nel sistema precedente i qubit potevano parlare solo con i qubit fisicamente più vicini a loro.

«Un computer quantistico non competerà necessariamente con un computer classico in aspetti come la dimensione della memoria o della CPU», ha affermato il professor Andrew Cleland (2) dell'UCPME dell'UChicago. «Invece, sfruttano un ridimensionamento fondamentalmente diverso: raddoppiare la potenza di calcolo di un computer classico richiede una CPU due volte più grande, o il doppio della velocità di clock. Raddoppiare un computer quantistico richiede solo un qubit aggiuntivo».

Prendendo ispirazione dai computer classici, il design raggruppa i qubit attorno a un router centrale, in modo simile a come i PC comunicano tra loro attraverso un hub di rete centrale. Gli “interruttori” quantistici possono connettere e disconnettere qualsiasi qubit in pochi nanosecondi, consentendo porte quantistiche ad alta fedeltà e la generazione di entanglement quantistico, una risorsa fondamentale per l’informatica e la comunicazione quantistica.

«In linea di principio non c'è limite al numero di qubit che possono connettersi tramite i router», ha affermato Xuntao Wu, candidato al dottorato di ricerca del PME dell'UChicago. «Puoi connettere più qubit se desideri una maggiore potenza di elaborazione, purché rientrino in un determinato ingombro».

Xuntao Wu è il primo autore di un nuovo articolo pubblicato su Physical Review X (3) che descrive questo nuovo modo di connettere i qubit superconduttori. Il nuovo chip quantistico dei ricercatori è flessibile, scalabile e modulare come i chip dei cellulari e dei laptop.

«Immagina di avere un computer classico dotato di una scheda madre che integra molti componenti diversi, come CPU o GPU, memoria e altri elementi», ha affermato Wu. «Parte del nostro obiettivo è trasferire questo concetto nel regno quantistico».

Dimensioni e rumore

I computer quantistici sono dispositivi altamente avanzati ma delicati con il potenziale di trasformare campi come le telecomunicazioni, la sanità, l’energia pulita e la crittografia. Devono accadere due cose prima che i computer quantistici possano affrontare questi problemi globali al massimo delle loro potenzialità.

Innanzitutto, devono essere adattati a dimensioni sufficientemente grandi con operabilità flessibile.

«Questo ridimensionamento può offrire soluzioni a problemi computazionali che un computer classico semplicemente non può sperare di risolvere, come fattorizzare numeri enormi e quindi decifrare codici di crittografia», ha affermato Andrew Cleland.

In secondo luogo, devono essere tolleranti ai guasti, in grado di eseguire calcoli massicci con pochi errori, superando idealmente la potenza di elaborazione degli attuali computer classici all’avanguardia. La piattaforma qubit superconduttrice, in fase di sviluppo qui, è un approccio promettente alla costruzione di un computer quantistico.

«Un tipico chip di processore superconduttore ha una forma quadrata su cui sono fabbricati tutti i bit quantici. È un sistema a stato solido su una struttura planare», ha affermato il coautore Haoxiong Yan, che si è laureato alla UChicago PME in primavera e ora lavora come ingegnere quantistico per Applied Materials. «Se riesci a immaginare un array 2D, come un reticolo quadrato, questa è la topologia dei tipici processori quantistici superconduttori».

Limitazioni nella progettazione tipica

Questo design tipico causa diverse limitazioni.

Innanzitutto, mettere i qubit su una griglia significa che ogni qubit può interagire solo con, al massimo, altri quattro qubit, i suoi vicini immediati a nord, sud, est e ovest. Una maggiore connettività qubit di solito consente un processore più potente rispetto sia alla flessibilità che al sovraccarico dei componenti, ma il limite dei quattro vicini è generalmente considerato inerente al design planare. Ciò significa che, per le applicazioni pratiche di calcolo quantistico, il ridimensionamento del dispositivo utilizzando la forza brutale comporterà probabilmente requisiti di risorse non realistici.

«Raddoppio della potenza computazionale di un computer classico richiede una CPU due volte più grande... Raddoppiare un computer quantistico richiede solo un qubit aggiuntivo», asserisce il dottor Andrew Cleland.

In secondo luogo, le connessioni del vicino più vicino limiteranno a loro volta le classi di dinamica quantistica che possono essere implementate, nonché l’entità del parallelismo che il processore è in grado di eseguire.

Infine, se tutti i qubit vengono fabbricati sullo stesso substrato planare, ciò rappresenta una sfida significativa per la resa della fabbricazione, poiché anche un piccolo numero di dispositivi guasti significa che il processore non funzionerà.

«Per intraprendere un calcolo quantistico pratico, abbiamo bisogno di milioni o addirittura miliardi di qubit e dobbiamo realizzare tutto alla perfezione», ha affermato Yan.

Ripensare il chip

Per risolvere questi problemi, il team ha ritoccato il design del processore quantistico. Il processore è progettato per essere modulare, in modo che diversi componenti possano essere preselezionati prima di essere montati sulla scheda madre del processore.

I prossimi passi del team riguarderanno i modi per espandere il processore quantistico a più qubit, trovare nuovi protocolli per espandere le capacità del processore e, potenzialmente, trovare modi per collegare cluster di qubit connessi al router nel modo in cui i supercomputer collegano i loro processori e componenti.

Stanno anche cercando di espandere la distanza su cui possono intrecciare i qubit.

«In questo momento, la distanza di accoppiamento è una sorta di medio raggio, dell'ordine dei millimetri», ha detto Wu. «Quindi, se stiamo cercando di pensare a modi per connettere qubit remoti, allora dobbiamo esplorare nuovi modi per integrare altri tipi di tecnologie con la nostra configurazione attuale».

Riferimenti:

(1) Cleland Lab

(2) Andrew Cleland

(3) Modular Quantum Processor with an All-to-All Reconfigurable Router

Descrizione foto: I ricercatori del Cleland Lab presso l'University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, tra cui (da sinistra) l'alunno Haoxiong Yan, il dottorando Xuntao Wu e il professor Andrew Cleland, hanno realizzato un nuovo progetto per un processore quantistico superconduttore. - Credit: John Zich.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Rethinking the quantum chip