Smart kabeldelning kan göra kvantdatorer mer kraftfulla
Det behövs många kablar för att styra en kraftfull kvantdator med många kvantbitar. Men flera kvantbitar kan framgångsrikt dela på en och samma kabel, visar ny forskning. Att få bort den stora mängden kablar kan bidra till ännu bättre kvantdatorer framöver, enligt forskarna.
Kvantdatorernas kraft ligger i de så kallade kvantbitarna. Till skillnad från en vanlig dators “bit” som antingen har värdet 1 eller 0, kan en kvantbit ha värdet 1 och 0 samtidigt, och alla tillstånd däremellan, i vilken kombination som helst.
Det innebär att en kvantdator med exempelvis 20 kvantbitar kan representera en kombination av över en miljon olika tillstånd på samma gång, med en enorm beräkningskraft till följd.
Den globala utvecklingen inom kvantteknologi pågår för fullt och de stora tech-bolagen är än så länge i framkant med kvantdatorer baserade på drygt 100 kvantbitar.
– Men för att kunna lösa samhällsutmaningar i praktiken behöver kvantdatorerna baseras på upp emot tusentals välfungerande kvantbitar, säger Anton Frisk Kockum, universitetslektor i tillämpad kvantfysik på Chalmers tekniska högskola, där Sveriges största kvantdator byggs.
Temperaturen ett krux
Arbetet med att skala upp kvantdatorer innebär praktiska utmaningar. För att fungera behöver många typer av kvantdatorer, däribland de som baseras på supraledande kvantbitar, kylas ner till temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Det innebär -273,15 grader Celsius.
Nedkylningen sker med hjälp av helium i kryostater som omsluter kvantdatorn. För att styra kvantberäkningar skickas signaler genom kablar från elektronik utanför systemet in till kvantdatorns nedkylda kvantbitar.
Men – kablarna avger värme som påverkar temperaturen inuti kryostaten och riskerar att få kvantbitarna att förlora förmågan att fortsätta beräkningen.
– Eftersom varje kvantbit idag kräver en egen kabel finns det en gräns för hur många kvantbitar ett system kan innehålla innan temperaturen blir för hög och kvantdatorn slutar fungera. Dessutom finns det fysiska begränsningar eftersom kablarna tar upp utrymme i kryostaten, säger Ingrid Strandberg, forskningsspecialist i kvantteknologi vid Chalmers.
Smart kabeldelning
Ett alternativt, men förhållandevis outforskat, tillvägagångssätt är att låta flera kvantbitar dela på samma kabel. I stället för att styra kvantbitarna parallellt med varsin kabel, styr man dem i tur och ordning, i snabb följd, med färre kablar. I processen används mikrovågsbrytare som placeras vid kvantprocessorn för att styra kontrollsignalerna till rätt kvantbit.
Metoden kommer dock med en förmodad kompromiss. Om kvantbitar behöver ”vänta” på sin tur att ta emot signaler kommer också beräkningarna ta lite längre tid.
För att ta reda på hur stor tidsfördröjningen faktiskt blir har forskarna vid Chalmers testat hur olika typer av kvantprocessorer påverkas när antalet styrkablar minskas. Resultatet blev överraskande positivt.
– Vi kan se att för många vanliga kvantalgoritmer kan man minska antalet kablar betydligt utan att beräkningarna blir nämnvärt långsammare eller att körtiden påverkas så mycket, säger Marvin Richter, doktorand i kvantteknologi på Chalmers.
I vissa fall, till exempel för grindar som kopplar ihop två kvantbitar, går det till och med att dela kablar helt utan extra tidskostnad, upp till en gräns som bestäms av hur kvantbitarna är sammankopplade.
Kan ge bättre datorer
En särskilt betydelsefull slutsats som forskarna drar av resultatet är att beräkningstiden inte ökar linjärt, utan logaritmiskt, när individuella kvantbitar delar på kablar.
– Det betyder att beräkningstiden ökar långsammare än vad man tidigare har oroat sig för, säger Simone Gasparinetti, universitetslektor i kvantteknologi på Chalmers.
– Att låta flera kvantbitar dela på samma kablar kan med andra ord vara en viktig pusselbit i utvecklingen av storskaliga, praktiskt användbara kvantdatorer. De här resultaten stärker vår motivation att utveckla snabba mikrovågsbrytare med låg energiförlust, vilket krävs för att kunna tillämpa den här metoden.
Vetenskaplig artikel:
Overhead in Quantum Circuits with Time-Multiplexed Qubit Control, PRX Quantum.
Kvantbitar skapas med oväntade material
Mer om studien:
I forskarnas teoretiska studie genomfördes datorsimuleringar av kvantprocessorer i olika storlekar, upp till cirka 1 000 kvantbitar. Huvudfokus låg på en processor med 121 kvantbitar, ordnade i ett 11×11-rutnät. I studien varierade forskarna antalet kvantbitar per kabel, från en kvantbit per kabel upp till 121 kvantbitar per kabel.
I simuleringarna av de största systemen, med upp till 1000 kvantbitar testade forskarna upp till åtta kvantbitar per kabel.
Källa: Chalmers
