Kvantdatorer (QC) är redo att driva viktiga framsteg inom flera områden, inklusive medicin, materialvetenskap och internetsäkerhet. Medan nuvarande QC -system är små, flera bransch- och akademiska ansträngningar pågår för att bygga stora system med många hundra qubits.

Mot detta, datavetenskapare vid Princeton University och fysiker från Duke University samarbetade för att utveckla metoder för att designa nästa generation kvantdatorer. Deras studie fokuserade på QC -system byggda med hjälp av traped ion (TI) -teknologi, som är en av de nuvarande främsta QC-hårdvaruteknikerna. Genom att sammanföra datorarkitekturtekniker och enhetssimuleringar, teamet visade att samutformning av kortsiktig hårdvara med applikationer potentiellt kan förbättra tillförlitligheten för TI-system med upp till fyra storleksordningar.

Deras studie genomfördes som en del av projektet Software-Tailored Architecture for Quantum co-design (STAQ), en NSF-finansierad samarbetsinriktad forskningsinsats för att bygga en fångad jon kvantdator och NSF CISE Expedition in Computing Enabling Practical-Scale Quantum Computing (EPiQC) projekt. Det publicerades nyligen i ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture 2020.

Mot större fångade jonkvantdatorer

Fångade joner (TI) är en av de ledande kandidaterna för att bygga qubits (kvantbitar). I ett TI -system, atomjoner qubits (som en kalcium- eller ytterbiumjon) isoleras och fångas i ett elektriskt fält. För att lagra kvantinformation, jonernas inre atomtillstånd används för att representera 0 och 1 qubit -tillstånden. Genom att pulsera jonerna med noggrant inställda lasrar, dessa system kan utföra grindar (instruktioner) på denna information, vilket leder till beräkningar som kan köras mycket snabbare än på en vanlig "klassisk" dator. Företag som IonQ, Honeywell, och Alpine Quantum Technologies, liksom akademiska grupper som vårt vid Duke University, arbetar med att bygga QC -system med sådan hårdvara. Publicerade resultat på enkeljonskedjor inkluderar fullständig kontroll av 11 qubits vid IonQ och kvantsimuleringar på 53 qubits vid University of Maryland.

Medan nuvarande TI -enheter har visat betydande löfte, större enheter med 50 till 100 qubits är nödvändiga för att visa fördelar jämfört med klassisk databehandling. Dock, de flesta nuvarande TI-enheter har en grundläggande skalningsflaskhals-de är baserade på en monolitisk enkelfällsarkitektur, där alla joner är inrymda i samma infångningszon. I denna arkitektur, qubit -kontroll och gate -implementering blir allt mer utmanande när fler joner läggs till fällan.

Att känna igen dessa svårigheter, en alternativ skalbar arkitektur, kallad Quantum Charged Coupled Device (QCCD) föreslogs redan 2002. Ett QCCD -system består av en uppsättning fällor, var och en innehar ett litet antal joner, istället för en enda stor fälla.

I likhet med enfångade arkitekturer, grindar kan utföras på en eller flera joner som är samlokaliserade i en fälla. För att möjliggöra intrassling över fällor, QCCD använder jontransport för att kommunicera joner över systemet. Det är, när en två-qubit operation ska utföras på ett par joner som befinner sig i olika fällor, en av jonerna flyttas fysiskt till den andra fällan, samlokalisering av jonerna innan grinden körs. Under de senaste två decennierna har alla åtgärder som krävs för att bygga dessa system har utvecklats och finjusterats. Nyligen, Honeywell integrerade dessa komponenter för att bygga det första QCCD -systemet med 4 qubits.

Arkitekt för nästa generation av QCCD -system

För att bygga nästa generation av QCCD -system med 50 till 100 qubits, hårdvarudesigners måste hantera en mängd olika motstridiga designval. "Hur många joner ska vi placera i varje fälla? Vilka kommunikationstopologier fungerar bra för QC-applikationer på kort sikt? Vilka är de bästa metoderna för att implementera grindar och shuttling i hårdvara? Det här är viktiga designfrågor som vårt arbete försöker svara på, "sa Prakash Murali, en doktorand vid Princeton University. Även om individuella experiment har utförts för att förstå några av dessa val, Det finns inga studier om hur dessa val påverkar applikationer och deras övergripande prestanda på systemnivå och tillförlitligheter. Vidare, hårdvarudesigners måste kämpa med opålitliga grindar och andra begränsningar för kortfristiga system och fortfarande stödja en växande blandning av kvantapplikationer.

För att studera dessa designval effektivt, forskarna byggde ett designverktygsflöde som uppskattar tillförlitligheten, exekveringstid och andra mätvärden för en uppsättning kvantprogram på en specifik QCCD -enhet. Detta verktygsflöde består av två delar. Den första delen är en kompilator som kartlägger programmet till de primitiva operationer som kommer att finnas tillgängliga på QCCD -system. Eftersom pendling är felbenägen och tidskrävande, kompilatorn försöker förbättra den övergripande applikationens tillförlitlighet och prestanda genom att minimera den totala mängden pendling. Den andra delen är en QCCD -simulator som använder realistiska prestanda- och brusmodeller för QCCD -system, härrör från hårdvarukarakteriseringsverk, för att uppskatta kvaliteten på en applikationsgenomförande. "Tillsammans, dessa komponenter gör att vi automatiskt kan karakterisera ett stort designutrymme och testa effekten av enhetsarkitektur i applikationer, sa Murali.

Med hjälp av detta verktygsflöde, de identifierade en söt plats på 15 till 25 joner per fälla som sannolikt kommer att fungera bra i applikationer, ger den bästa avvägningen mellan grindfel vid höga fällstorlekar och skyttelfel vid låga fällstorlekar. Övergripande, de visade att justering av systemets arkitektoniska attribut, till exempel antalet joner i en fälla och topologi, kan påverka tillförlitligheten för applikationsavrättningar med så mycket som tre storleksordningar. Ytterligare, optimering av lågnivågrindimplementeringar och transportmetoder kan ytterligare förbättra tillförlitligheten med en annan storleksordning. "Genom att förstå hur dessa olika val interagerar, vårt arbete möjliggör QCCD -system som kan utföra användbara beräkningar på kort sikt, innan kvantdatorer är tillräckligt stora för att bli riktigt pålitliga, "sa forskaren Dripto Debroy, en doktorand vid Duke University.

Datorarkitektur och simuleringsbaserad design har varit en viktig möjliggörare för tekniska framsteg inom klassisk databehandling. Genom att utnyttja dessa tekniker för QC-design och anta en fullständig systemvy av designutrymmet, snarare än att fokusera på hårdvara ensam, denna studie försöker påskynda framstegen mot nästa stora milstolpe på 50 till 100 qubits. För närvarande är de två mest lovande idéerna för att skala till tusentals joner stora QCCD -system och fotoniska sammankopplingar mellan små QCCD -system. Denna arkitektoniska studie av QCCD-enheter på kort sikt har potential att vägleda QC-hårdvarudesign för båda framtida riktningar.