Квантовые компьютеры могут выполнять определенные задачи, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам в мире. В будущем ученые предполагают использовать квантовые вычисления для эмуляции материальных систем, моделирования квантовой химии и решения сложных задач, что может оказать влияние на сферу финансов и фармацевтики.

Однако для реализации этих перспектив необходимо надежное и масштабируемое оборудование. Одна из проблем при создании крупномасштабного квантового компьютера заключается в том, что исследователи должны найти эффективный способ соединения квантовых информационных узлов — более мелких вычислительных узлов, разделенных по всему компьютерному чипу. Поскольку квантовые компьютеры принципиально отличаются от классических, обычные методы, используемые для передачи электронной информации, применить не получится. Совершенно ясно одно: информация должна передаваться и приниматься, и не важно, через классический интерфейс или через квантовый.

С этой целью исследователи Массачусетского технологического института разработали архитектуру квантовых компьютеров, которая обеспечит гибкую и высокоточную связь между сверхпроводниковыми квантовыми процессорами. В работе, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи MIT демонстрируют первый шаг — детерминированное высвобождение одиночных фотонов, носителей информации, в указанном пользователем направлении. Метод обеспечивает передачу квантовой информации в правильном направлении в течение 96% времени и более.

Соединение нескольких таких модулей позволяет создать большую сеть квантовых процессоров, которые связаны друг с другом, независимо от их физического разделения на компьютерном чипе.

Квантовые межмодульные соединения — важнейший шаг на пути к модульной реализации более масштабных машин, построенных из более мелких отдельных компонентов, — говорит Бхарат Каннан, доктор философии, один из ведущих авторов научной статьи, описывающей эту технологию.

Возможность взаимодействия между небольшими подсистемами позволит создать модульную архитектуру для квантовых процессоров, и это может стать более простым способом масштабирования до больших размеров системы по сравнению с использованием одного большого и сложного чипа.

Каннан написал статью вместе с соавтором Азизой Альманакли, аспирантом по электротехнике и информатике в группе инженерных квантовых систем Исследовательской лаборатории электроники (RLE) Массачусетского технологического института. Старший автор — Уильям Д. Оливер, профессор электротехники и информатики и физики, научный сотрудник Лаборатории Линкольна МТИ, директор Центра квантовой инженерии и заместитель директора RLE.

Передача квантовой информации

В обычном классическом компьютере несколько компонентов выполняют различные функции, такие как память, вычисление и т.д. Электронная информация, закодированная и хранящаяся в виде битов (которые принимают значение 1 или 0), перемещается между этими компонентами с помощью межблочных соединений — проводов, по которым электроны перемещаются в процессоре компьютера.

Однако квантовая информация кодируется иначе: она может быть одновременно и нулем, и единицей (явление, известное как суперпозиция). Кроме того, квантовую информацию могут переносить частицы света, называемые фотонами. Эти дополнительные сложности делают квантовую информацию неустойчивой, и ее нельзя просто передать с помощью обычных протоколов.

Квантовая сеть связывает узлы обработки с помощью фотонов, проходящих через специальные соединения, называемые волноводами. Волновод может быть либо однонаправленным и перемещать фотон только влево или вправо, либо двунаправленным.

В большинстве существующих архитектур используются однонаправленные волноводы, которые легче в реализации, поскольку в таком случае легко задается направление движения фотонов. Но раз каждый волновод перемещает фотоны только в одном направлении, то по мере расширения квантовой сети возникает необходимость в большем количестве волноводов, что делает этот подход трудно масштабируемым. Кроме того, однонаправленные волноводы обычно включают дополнительные компоненты для обеспечения направленности, что вносит погрешности в обмен данными.

Мы можем избавиться от этих компонентов с потерями, если у нас есть волновод, который может поддерживать распространение как в левом, так и в правом направлении, и средство для выбора направления по желанию. Именно такую «направленную передачу» мы и продемонстрировали, и это первый шаг к двунаправленной связи с гораздо более высокой точностью, — говорит Каннан.

Используя эту архитектуру, вдоль одного волновода могут быть расположены несколько модулей обработки. Примечательной особенностью архитектуры является то, что один и тот же модуль может использоваться и как передатчик, и как приемник. И фотоны могут отправляться и улавливаться любыми двумя модулями вдоль общего волновода.

У нас есть только одно физическое соединение, по которому может идти любое количество модулей. Это и делает его масштабируемым. Продемонстрировав направленное излучение фотонов одним модулем, мы сейчас работаем над улавливанием фотонов вторым модулем, — добавляет Алманакли.

Применение квантовых свойств

Для достижения этой цели исследователи создали модуль, состоящий из четырех кубитов.

Кубиты — это строительные блоки квантовых компьютеров, которые используются для хранения и обработки квантовой информации. Но кубиты также можно использовать в качестве излучателей фотонов. Если добавить энергию к кубиту, то это приведет к его возбуждению, а затем, когда кубит перестанет возбуждаться, он испустит энергию в виде фотона.

Однако простое подключение одного кубита к волноводу не обеспечивает направленности. Одиночный кубит испускает фотон, но куда он направится — влево или вправо — совершенно неизвестно. Чтобы решить эту проблему, исследователи используют два кубита и свойство, известное как квантовая интерференция, для обеспечения правильного направления испускаемого фотона.

Метод включает в себя подготовку двух кубитов в сцепленном состоянии одиночного возбуждения, называемом состоянием Белла. Это квантово-механическое состояние включает в себя возбуждение левого и правого кубита. Оба этих состояния существуют одновременно, но какой из кубитов возбужден именно сейчас, неизвестно.

Когда кубиты находятся в этом сцепленном состоянии Белла, фотон эффективно выпускается в волновод в двух точках расположения кубитов одновременно, и эти два процесса мешают друг другу. В зависимости от относительной фазы в состоянии Белла, итоговый выброс фотона идет влево или вправо. Подготовив состояние Белла с правильной фазой, исследователи выбирают направление, в котором фотон проходит через волновод.

Они могут использовать эту же технологию в обратном порядке, чтобы направить фотон в другой модуль.

Фотон имеет определенную частоту, определенную энергию, и вы можете настроить модуль для его приема на той же частоте. Если частота не совпадает, то фотон просто пройдет мимо. Это аналогично настройке радиоприемника на определенную станцию. Если мы выберем правильную радиочастоту, то будем улавливать музыку, передаваемую на этой частоте, — говорит Альманакли.

Исследователи обнаружили, что их метод обеспечивает более чем 96% точность — это означает, что если они намеревались испустить фотон направо, то в 96% случаев он попадал в правую сторону.

Теперь, когда ученые использовали эту методику для эффективного выпуска фотонов в определенном направлении, они намерены объединить несколько модулей и использовать этот процесс для выпуска и поглощения фотонов. Это станет важным шагом на пути к созданию модульной архитектуры, которая объединит множество процессоров меньшего размера в один более крупный и мощный квантовый процессор.