Izravna komunikacija između više kvantnih procesora

Baš kao što klasično računalo ima odvojene, ali međusobno povezane komponente koje moraju raditi zajedno, poput memorijskog čipa i CPU-a na matičnoj ploči, kvantno računalo morat će komunicirati kvantne informacije između više procesora.

Trenutne arhitekture koje se koriste za međusobno povezivanje supravodljivih kvantnih procesora su "od točke do točke" u povezivosti, što znači da zahtijevaju niz prijenosa između mrežnih čvorova, sa složenim stopama pogreške.

Na putu prevladavanja ovih izazova, istraživači MIT-a razvili su novi uređaj za međusobno povezivanje koji može podržati skalabilnu, "svi-sa-svima" komunikaciju, tako da svi supravodljivi kvantni procesori u mreži mogu komunicirati izravno jedni s drugima.

Stvorili su mrežu od dva kvantna procesora i koristili njihovu međuvezu za slanje mikrovalnih fotona naprijed-natrag na zahtjev u smjeru koji definira korisnik. Fotoni su čestice svjetlosti koje mogu prenijeti kvantnu informaciju.

Uređaj uključuje supravodljivu žicu ili valovod koji prenosi fotone između procesora i može se usmjeravati koliko god je potrebno. Istraživači mogu na njega spojiti bilo koji broj modula, učinkovito prenoseći informacije između skalabilne mreže procesora.

Koristili su ovu međuvezu kako bi demonstrirali udaljeno ispreplitanje, vrstu korelacije između kvantnih procesora koji nisu fizički povezani. Udaljeno isprepletanje ključni je korak prema razvoju moćne, distribuirane mreže mnogih kvantnih procesora.

Istraživači  su prethodno razvili kvantni računalni modul koji im je omogućio slanje mikrovalnih fotona koji nose informacije u oba smjera duž valovoda.

U novom radu, tu su arhitekturu podigli korak dalje povezujući dva modula s valovodom kako bi emitirali fotone u željenom smjeru i zatim ih apsorbirali na drugom kraju.

Svaki modul sastoji se od četiri kubita, koji služe kao sučelje između valovoda koji nosi fotone i većih kvantnih procesora.

Kubiti povezani s valovodom emitiraju i apsorbiraju fotone, koji se zatim prenose na obližnje podatkovne kubite.

Istraživači koriste niz mikrovalnih impulsa za dodavanje energije qubitu, koji zatim emitira foton. Pažljivo kontroliranje faze tih impulsa omogućuje kvantni učinak interferencije koji im omogućuje emitiranje fotona u bilo kojem smjeru duž valovoda. Preokretanje impulsa u vremenu omogućuje qubitu u drugom modulu na bilo kojoj proizvoljnoj udaljenosti da apsorbira foton.

Međutim, prijenos fotona između dva modula nije dovoljan za generiranje daljinskog zapleta. Istraživači moraju pripremiti kubite i foton tako da moduli "dijele" foton na kraju protokola.

Tim je to uspio zaustavivši impulse emisije fotona na pola njihova trajanja. U kvantnomehaničkom smislu, foton se i zadržava i emitira. Klasično se može misliti da se pola fotona zadržava, a pola emitira.

Jednom kada modul prijamnika apsorbira taj "polufoton", dva se modula isprepliću.

Ali dok foton putuje, zglobovi, žičane veze i veze u valovodu iskrivljuju foton i ograničavaju učinkovitost apsorpcije prijemnog modula.

Kako bi generirali udaljeno ispreplitanje s dovoljno visokom vjernošću ili preciznošću, istraživači su morali maksimalno povećati koliko često se foton apsorbira na drugom kraju.

Koristili su algoritam pojačanog učenja za "prediskrivljavanje" fotona. Algoritam je optimizirao impulse protokola kako bi oblikovao foton za maksimalnu učinkovitost apsorpcije.

Kada su implementirali ovaj optimizirani protokol apsorpcije, uspjeli su pokazati učinkovitost apsorpcije fotona veću od 60 posto.

Ova učinkovitost apsorpcije dovoljno je visoka da dokaže da je rezultirajuće stanje na kraju protokola zapleteno, što je glavna prekretnica u ovoj demonstraciji.

U budućnosti bi mogli poboljšati učinkovitost apsorpcije optimiziranjem puta preko kojeg se fotoni šire, možda integracijom modula u 3D umjesto supravodljive žice koja povezuje zasebne mikrovalne pakete. Također bi mogli učiniti protokol bržim tako da postoje manje šanse za nakupljanje pogrešaka.

Znanstveni rad objavljen u časopisu Nature Physics možete pronaći na ovoj poveznici.