Smart kabeldelning kan göra kvantdatorer betydligt mer kraftfulla
https://mb.cision.com/Public/5569/4329292/af94b6b2d1a73537_800x800ar.png
Ett betydande hinder i utvecklingen av kraftfulla kvantdatorer är det stora antalet kablar som krävs för att styra datorn när kvantbitarna blir fler. Nu kan forskare vid Chalmers visa hur flera kvantbitar kan dela på en och samma kabel – utan att beräkningstiden ökar nämnvärt. Studien är den mest omfattande i sitt slag och kan bli en viktig pusselbit i utvecklingen av kvantdatorer, som har potential att revolutionera alltifrån läkemedelsutveckling till logistik.
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 som följd.
– Den globala kapprustningen inom kvantteknologi pågår för fullt, och tech-jättarna 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 inom ramarna för Wallenberg Centre for Quantum Technology.
Ingenjörstekniska utmaningar bromsar
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 vill säga – 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 motbevisar farhågor
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 – ett förfarande som kallas tidsdomänmultiplexering. 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. I vissa fall – till exempel för grindar som kopplar ihop två kvantbitar – kan man till och med dela kablar helt utan extra tidskostnad, upp till en gräns som bestäms av hur kvantbitarna är sammankopplade, förklarar Marvin Richter, doktorand i kvantteknologi på Chalmers och studiens försteförfattare.
Viktig pusselbit för storskaliga kvantdatorer
Chalmersforskarnas datorsimuleringar och matematiska analyser är de mest omfattande som genomförts på området. 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. 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, säger Simone Gasparinetti, universitetslektor i kvantteknologi på Chalmers och medförfattare till studien.
Mer om studien:
I forskarnas teoretiska studie genomfördes datorsimuleringar av kvantprocessorer i olika storlekar, upp till cirka 1000 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.
Artikeln Overhead in Quantum Circuits with Time-Multiplexed Qubit Control har publicerats i tidskriften PRX Quantum. Författare till studien är Marvin Richter, Ingrid Strandberg, Simone Gasparinetti och Anton Frisk Kockum, samtliga aktiva vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola. Numeriska resultat har tagits fram med hjälp av högpresterande datorsystem vid Chalmers Centre for Computational Science and Engineering (C3SE).
Studien har finansierats med stöd från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse genom Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT), Stiftelsen för strategisk forskning, EU:s Horisont Europa-program genom projektet OpenSuperQPlus100, Europeiska unionen, samt Europeiska forskningsrådet.
För mer information, vänligen kontakta:
Anton Frisk Kockum, universitetslektor i tillämpad kvantfysik vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola: 031 772 31 90, anton.frisk.kockum@chalmers.se
Simone Gasparinetti, universitetslektor i kvantteknologi vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola: 031 772 65 73, simoneg@chalmers.se
Bildtext: En konstnärlig illustration av hur signaler till en kvantdator kan styras med mikrovågsbrytare. Styrsignaler för grindar med en kvantbit (korta block) och grindar som kopplar ihop två kvantbitar (långa block) skickas genom gemensamma kablar (tunnlar) till mikrovågsbrytare, som fördelar dem mellan kvantbitarna (sfärer) utifrån växlingssignaler (diamanter). Genom att ordna signalerna på ett smart sätt – ungefär som i spelet Tetris – kan man i stor utsträckning undvika köbildning i signalflödet. Det gör att kvantdatorns program kan köras nästan lika snabbt som om varje kvantbit hade en egen kabel för styrsignaler.
Illustration: Chalmers tekniska högskola | Boid