Las computadoras cuánticas (QC) están preparadas para impulsar avances importantes en varios dominios, incluyendo medicina, ciencia de los materiales y seguridad en internet. Si bien los sistemas de control de calidad actuales son pequeños, Se están realizando varios esfuerzos académicos y de la industria para construir grandes sistemas con varios cientos de qubits.

Hacia esto, Científicos informáticos de la Universidad de Princeton y físicos de la Universidad de Duke colaboraron para desarrollar métodos para diseñar la próxima generación de computadoras cuánticas. Su estudio se centró en los sistemas de control de calidad construidos con tecnología de iones atrapados (TI), que es una de las tecnologías actuales de hardware de control de calidad de primera ejecución. Al reunir técnicas de arquitectura informática y simulaciones de dispositivos, El equipo demostró que el diseño conjunto de hardware a corto plazo con aplicaciones puede mejorar potencialmente la confiabilidad de los sistemas de TI hasta en cuatro órdenes de magnitud.

Su estudio se llevó a cabo como parte del proyecto Arquitectura a medida de software para el codiseño cuántico (STAQ), un esfuerzo de investigación colaborativo financiado por NSF para construir una computadora cuántica de iones atrapados y el proyecto Expedición NSF CISE en Computación Habilitando Computación Cuántica a Escala Práctica (EPiQC). Se publicó recientemente en el Simposio Internacional ACM / IEEE 2020 sobre Arquitectura de Computadoras.

Hacia computadoras cuánticas de iones atrapados más grandes

Los iones atrapados (TI) son uno de los principales candidatos para construir qubits (bits cuánticos). En un sistema TI, Los qubits de iones atómicos (como los iones calcio o iterbio) están aislados y atrapados en un campo eléctrico. Para almacenar información cuántica, los estados atómicos internos de los iones se utilizan para representar los estados de 0 y 1 qubit. Pulsando los iones con láseres cuidadosamente ajustados, estos sistemas pueden realizar puertas (instrucciones) sobre esta información, lo que lleva a cálculos que pueden ejecutarse mucho más rápido que en una computadora "clásica" estándar. Empresas como IonQ, Honeywell, y tecnologías cuánticas alpinas, así como grupos académicos como el nuestro en la Universidad de Duke, están trabajando para construir sistemas de control de calidad utilizando dicho hardware. Los resultados publicados sobre cadenas de iones únicos incluyen el control completo de 11 qubits en IonQ y simulaciones cuánticas en 53 qubits en la Universidad de Maryland.

Si bien los dispositivos de TI actuales se han mostrado muy prometedores, Se necesitan dispositivos más grandes con 50 a 100 qubits para demostrar ventajas sobre la informática clásica. Sin embargo, La mayoría de los dispositivos de TI actuales tienen un cuello de botella de escala fundamental:se basan en una arquitectura monolítica de trampa única, donde todos los iones se alojan en la misma zona de captura. En esta arquitectura, El control de qubit y la implementación de puertas se vuelven cada vez más desafiantes a medida que se agregan más iones a la trampa.

Reconociendo estas dificultades, una arquitectura escalable alternativa, llamado dispositivo acoplado cargado cuántico (QCCD) se propuso ya en 2002. Un sistema QCCD se compone de un conjunto de trampas, cada uno con una pequeña cantidad de iones, en lugar de una sola trampa grande.

Similar a las arquitecturas de trampa única, Las compuertas se pueden realizar en uno o más iones que se colocan dentro de una trampa. Para permitir el enredo entre trampas, QCCD utiliza transporte de iones para comunicar iones a través del sistema. Es decir, cuando se va a realizar una operación de dos qubits en un par de iones que se encuentran en diferentes trampas, uno de los iones se mueve físicamente a la otra trampa, colocando los iones antes de que se ejecute la puerta. Durante las últimas dos décadas, Todas las operaciones necesarias para construir estos sistemas se han desarrollado y perfeccionado. Recientemente, Honeywell integró estos componentes para construir el primer sistema QCCD que tiene 4 qubits.

Arquitectura de la próxima generación de sistemas QCCD

Para construir la próxima generación de sistemas QCCD con 50 a 100 qubits, Los diseñadores de hardware tienen que abordar una variedad de opciones de diseño conflictivas. "¿Cuántos iones deberíamos colocar en cada trampa? ¿Qué topologías de comunicación funcionan bien para aplicaciones de control de calidad a corto plazo? ¿Cuáles son los mejores métodos para implementar puertas y operaciones de transporte en hardware? Estas son preguntas clave de diseño que nuestro trabajo busca responder. "dijo Prakash Murali, estudiante de posgrado en la Universidad de Princeton. Aunque se han realizado experimentos individuales para comprender algunas de estas opciones, no hay estudios sobre el impacto de estas opciones en las aplicaciones y sus compensaciones generales de rendimiento y confiabilidad a nivel del sistema. Es más, Los diseñadores de hardware tienen que lidiar con puertas poco confiables y otras limitaciones de los sistemas a corto plazo y aún así admitir una combinación en evolución de aplicaciones cuánticas.

Para estudiar estas opciones de diseño de manera eficiente, los investigadores construyeron un flujo de herramientas de diseño que estima la confiabilidad, tiempo de ejecución y otras métricas para un conjunto de programas cuánticos en un dispositivo QCCD especificado. Este flujo de herramientas consta de dos partes. La primera parte es un compilador que asigna el programa a las operaciones primitivas que estarán disponibles en los sistemas QCCD. Dado que el traslado es propenso a errores y requiere mucho tiempo, el compilador busca mejorar la confiabilidad y el rendimiento generales de la aplicación minimizando la cantidad total de transferencia. La segunda parte es un simulador QCCD que utiliza modelos de ruido y rendimiento realistas para sistemas QCCD, derivados de trabajos de caracterización de hardware, para estimar la calidad de la ejecución de una aplicación. "Juntos, Estos componentes nos permiten caracterizar automáticamente un gran espacio de diseño y probar el impacto de la arquitectura del dispositivo en todas las aplicaciones. "dijo Murali.

Usando este flujo de herramientas, identificaron un punto óptimo de 15 a 25 iones por trampa que probablemente funcionará bien en todas las aplicaciones, proporcionando la mejor compensación entre errores de compuerta en trampas de gran tamaño y errores de transporte en trampas de bajo tamaño. En general, demostraron que ajustar los atributos arquitectónicos del sistema, como el número de iones en una trampa y la topología, puede afectar la confiabilidad de las ejecuciones de aplicaciones hasta en tres órdenes de magnitud. Más lejos, La optimización de las implementaciones de puertas de bajo nivel y los métodos de transporte puede mejorar aún más la confiabilidad en otro orden de magnitud. "Al comprender la forma en que interactúan estas diferentes opciones, Nuestro trabajo permite sistemas QCCD que pueden realizar cálculos útiles a corto plazo, antes de que las computadoras cuánticas sean lo suficientemente grandes como para volverse verdaderamente confiables, "dijo el investigador Dripto Debroy, estudiante de posgrado en la Universidad de Duke.

La arquitectura de la computadora y el diseño basado en simulación han sido un factor clave del progreso tecnológico en la computación clásica. Aprovechando estas técnicas para el diseño de control de calidad y adoptando una vista completa del sistema del espacio de diseño, en lugar de centrarse solo en el hardware, este estudio busca acelerar el progreso hacia el próximo gran hito de 50 a 100 qubits. Actualmente, las dos ideas más prometedoras para escalar a miles de iones son los grandes sistemas QCCD y las interconexiones fotónicas entre pequeños sistemas QCCD. Este estudio de arquitectura de dispositivos QCCD a corto plazo tiene el potencial de guiar el diseño de hardware de QC en ambas direcciones futuras.