Undersøgelse af fanget ion-teknologi til næste generation af kvantecomputere

Kvantecomputere (QC) er klar til at drive vigtige fremskridt på flere domæner, herunder medicin, materialevidenskab og internetsikkerhed. Mens de nuværende QC-systemer er små, flere industri- og akademiske bestræbelser er i gang med at bygge store systemer med mange hundrede qubits.

Hen imod dette, dataloger ved Princeton University og fysikere fra Duke University samarbejdede om at udvikle metoder til at designe næste generation af kvantecomputere. Deres undersøgelse fokuserede på QC-systemer bygget ved hjælp af fanget ion (TI) teknologi, som er en af ​​de nuværende frontløbende QC-hardwareteknologier. Ved at samle computerarkitekturteknikker og enhedssimuleringer, holdet viste, at co-design af hardware på kort sigt med applikationer potentielt kan forbedre pålideligheden af ​​TI-systemer med op til fire størrelsesordener.

Deres undersøgelse blev udført som en del af projektet Software-Tailored Architecture for Quantum co-design (STAQ), en NSF-finansieret forskningsindsats for at bygge en fanget-ion kvantecomputer og NSF CISE Expedition in Computing Enabling Practical-Scale Quantum Computing (EPiQC)-projektet. Det blev offentliggjort for nylig i 2020 ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture.

Mod større fangede-ion kvantecomputere

Trapped-ioner (TI) er en af ​​de førende kandidater til at bygge qubits (kvantebits). I et TI-system, atomære ion-qubits (som en Calcium- eller Ytterbium-ion) er isoleret og fanget i et elektrisk felt. For at gemme kvanteinformation, de indre atomare tilstande af ionerne bruges til at repræsentere 0 og 1 qubit tilstande. Ved at pulsere ionerne ved hjælp af omhyggeligt indstillede lasere, disse systemer kan udføre porte (instruktioner) på denne information, fører til beregninger, som kan køre meget hurtigere end på en standard "klassisk" computer. Virksomheder som IonQ, Honeywell, og Alpine Quantum Technologies, såvel som akademiske grupper som vores på Duke University, arbejder på at bygge QC-systemer ved hjælp af sådan hardware. Publicerede resultater om enkelte ionkæder inkluderer fuldstændig kontrol af 11 qubits ved IonQ og kvantesimuleringer på 53 qubits ved University of Maryland.

Mens nuværende TI-enheder har vist betydeligt løfte, større enheder med 50 til 100 qubits er nødvendige for at demonstrere fordele i forhold til klassisk databehandling. Imidlertid, de fleste nuværende TI-enheder har en grundlæggende skaleringsflaskehals - de er baseret på en monolitisk single-trap-arkitektur, hvor alle ioner er anbragt i samme fangstzone. I denne arkitektur, qubit-kontrol og gate-implementering bliver mere og mere udfordrende, efterhånden som flere ioner føjes til fælden.

I erkendelse af disse vanskeligheder, en alternativ skalerbar arkitektur, kaldet Quantum Charged Coupled Device (QCCD) blev foreslået så tidligt som i 2002. Et QCCD-system er sammensat af et sæt fælder, hver rummer et lille antal ioner, i stedet for en enkelt stor fælde.

Svarende til single-trap arkitekturer, porte kan udføres på en eller flere ioner, der er samplaceret i en fælde. For at muliggøre sammenfiltring på tværs af fælder, QCCD bruger ion-shuttling til at kommunikere ioner på tværs af systemet. Det er, når en to-qubit operation skal udføres på et par ioner, der er i forskellige fælder, en af ​​ionerne flyttes fysisk til den anden fælde, samlokalisering af ionerne før porten udføres. I løbet af de sidste to årtier, alle operationer, der er nødvendige for at bygge disse systemer, er blevet udviklet og finpudset. For nylig, Honeywell integrerede disse komponenter for at bygge det første QCCD-system med 4 qubits.

Arkitektering af næste generation af QCCD-systemer

At bygge den næste generation af QCCD-systemer med 50 til 100 qubits, hardwaredesignere er nødt til at tackle en række modstridende designvalg. "Hvor mange ioner skal vi placere i hver fælde? Hvilke kommunikationstopologier fungerer godt til QC-applikationer på kort sigt? Hvad er de bedste metoder til at implementere porte og shuttling-operationer i hardware? Disse er centrale designspørgsmål, som vores arbejde søger at besvare, " sagde Prakash Murali, en kandidatstuderende ved Princeton University. Selvom individuelle eksperimenter er blevet udført for at forstå nogle af disse valg, der er ingen undersøgelser af virkningen af ​​disse valg på applikationer og deres overordnede system-niveau ydeevne og pålidelighed afvejninger. Desuden, hardwaredesignere skal kæmpe med upålidelige porte og andre begrænsninger af systemer på kort sigt og understøtter stadig en udviklende blanding af kvanteapplikationer.

For at studere disse designvalg effektivt, forskerne byggede et designværktøjsflow, der estimerer pålideligheden, eksekveringstid og andre målinger for et sæt kvanteprogrammer på en specificeret QCCD-enhed. Dette værktøjsflow består af to dele. Den første del er en compiler, som kortlægger programmet ned til de primitive operationer, der vil være tilgængelige på QCCD-systemer. Da shuttling er fejludsat og tidskrævende, compileren søger at forbedre den overordnede applikationspålidelighed og ydeevne ved at minimere den samlede mængde shuttling. Den anden del er en QCCD-simulator, som bruger realistiske præstations- og støjmodeller til QCCD-systemer, afledt af hardwarekarakteriseringsværker, at vurdere kvaliteten af ​​en applikationsudførelse. "Sammen, disse komponenter giver os mulighed for automatisk at karakterisere et stort designrum og teste virkningen af ​​enhedsarkitektur på tværs af applikationer, " sagde Murali.

Ved at bruge dette værktøjsflow, de identificerede et sweet spot på 15 til 25 ioner pr. fælde, der sandsynligvis vil fungere godt på tværs af applikationer, giver den bedste afvejning mellem gate-fejl ved høje fældestørrelser og shuttling-fejl ved lave fældestørrelser. Samlet set, de viste, at justering af systemets arkitektoniske egenskaber, såsom antallet af ioner i en fælde og topologi, kan påvirke pålideligheden af ​​applikationsudførelser med så meget som tre størrelsesordener. Yderligere, optimering af lav-niveau gate implementeringer og shuttling metoder kan yderligere forbedre pålideligheden med en anden størrelsesorden. "Ved at forstå, hvordan disse forskellige valg interagerer, vores arbejde muliggør QCCD-systemer, som kan udføre nyttige beregninger på kort sigt, før kvantecomputere er store nok til at blive virkelig pålidelige, " sagde forsker Dripto Debroy, en kandidatstuderende ved Duke University.

Computerarkitektur og simulationsbaseret design har været en nøglefaktor for teknologiske fremskridt inden for klassisk databehandling. Ved at udnytte disse teknikker til QC-design og vedtage et komplet systemoverblik over designrummet, i stedet for at fokusere på hardware alene, denne undersøgelse søger at fremskynde fremskridtene mod den næste store milepæl på 50 til 100 qubits. I øjeblikket er de to mest lovende ideer til at skalere til 1000-vis af ioner store QCCD-systemer og fotoniske forbindelser mellem små QCCD-systemer. Denne arkitektoniske undersøgelse af QCCD-enheder på kort sigt har potentialet til at guide QC-hardwaredesign til begge fremtidige retninger.