Dentro brevemente
- Pesquisadores da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da UChicago desenvolveram um processador quântico modular com um roteador reconfigurável, permitindo comunicação qubit acessível e flexível para computação quântica.
- Ao contrário dos designs tradicionais de grade 2-D, este processador agrupa qubits em torno de um hub central, inspirando-se nas redes de computadores clássicas para melhorar a escalabilidade e o desempenho, ao mesmo tempo que aborda os desafios de fabricação.
- O projeto promete superar as limitações dos processadores quânticos planares, fornecendo arquiteturas escaláveis, destinadas a suportar milhões de qubits para aplicações de computação quântica tolerantes a falhas.
- Pesquisadores do Cleland Lab da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, incluindo (da esquerda) o estudante de pós-graduação Haoxiong Yan, o candidato a doutorado Xuntao Wu e o Prof. Andrew Cleland, descobriram um novo design para um processador quântico supercondutor. (Foto de John Zich)
NOTÍCIAS – Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago (UChicago PME) descobriram um novo design para um processador quântico supercondutor, que visa construir o potencial para dispositivos grandes e duradouros exigidos pela revolução quântica.
Ao contrário do design convencional de chips quânticos que coloca qubits de processamento de informações em uma grade 2-D, uma equipe do Cleland Lab projetou um processador quântico modular que inclui um roteador reconfigurável como hub central. Isso permite que quaisquer dois qubits se conectem e interajam, enquanto no sistema antigo, os qubits só podiam se comunicar com qubits que estivessem fisicamente próximos a eles.
“Um computador quântico não competirá com um computador clássico em coisas como tamanho de memória ou tamanho de CPU”, disse o professor PME da UChicago. André Cleland. “Em vez disso, eles usam uma escala muito diferente: duplicar o poder de computação de um computador clássico requer uma CPU duas vezes maior ou o dobro da velocidade do clock. Dobrar o computador quântico requer mais um qubit. “
Inspirando-se nos computadores clássicos, o design agrupa-se em torno de um roteador central, semelhante à forma como os PCs se comunicam entre si por meio de um hub de rede central. A “comutação” quântica pode conectar e desconectar qualquer qubit em poucos nanossegundos, tornando as portas quânticas mais confiáveis e a produção de emaranhamento quântico, um recurso básico para computação e comunicação quântica.
“Essencialmente, não há limite para o número de qubits que podem ser conectados por meio de roteadores”, disse Xuntao Wu, candidato a PhD da UChicago PME. “Você pode conectar mais qubits se quiser mais poder de processamento, desde que eles caibam em uma determinada área.”
Wu é o primeiro autor de um novo artigo publicado em Revisão Física X descrevendo este novo método de conectar qubits supercondutores. O novo chip quântico dos pesquisadores é flexível, escalável e semelhante aos chips de telefones celulares e laptops.
“Imagine que você tem um computador antigo com uma placa-mãe que inclui muitos componentes diferentes, como CPU ou GPU, memória e outros componentes”, disse Wu. “Parte do nosso objetivo é transferir este conceito para o reino quântico”.
Tamanho e ruído
Os computadores quânticos são dispositivos altamente avançados, porém flexíveis, que têm o potencial de revolucionar campos como telecomunicações, saúde, energia limpa e criptografia. Duas coisas devem acontecer antes que os computadores quânticos possam resolver plenamente estes problemas globais.
Primeiro, eles devem ser dimensionados para um tamanho grande o suficiente para uma operação flexível.
“Esta escala pode fornecer soluções para problemas de computação que um computador primitivo não poderia resolver, como adicionar grandes números e quebrar códigos de criptografia”, disse Cleland.
Em segundo lugar, eles devem ser tolerantes a falhas, capazes de realizar grandes cálculos com poucos erros e exceder razoavelmente o poder de processamento dos computadores modernos de última geração. A plataforma qubit supercondutora, desenvolvida aqui, é uma forma promissora de construir um computador quântico.
“Um chip de processador supercondutor típico tem formato quadrado com todos os bits quânticos embutidos nele. É um circuito de estado sólido em uma estrutura planar”, disse o co-autor Haoxiong Yan, que se formou na UChicago PME na primavera e agora trabalha como engenheiro quântico da Applied Materials. “Se você pode pensar em um sistema 2-D, como uma rede quadrada, essa é a topologia dos processadores quânticos supercondutores típicos.”
Limitações no design geral
Este design geral causa diversas limitações.
Primeiro, colocar os qubits em uma grade significa que cada qubit só pode se comunicar com, no máximo, quatro outros qubits – seus vizinhos mais próximos ao norte, sul, leste e oeste. Uma conexão qubit maior geralmente permite um processador mais poderoso em termos de flexibilidade e alta proporção, mas um limite de quatro vizinhos é geralmente considerado natural no projeto de circuito. Isso significa que, para aplicações de computação quântica, dimensionar um dispositivo usando força bruta levará a requisitos de recursos irracionais.
Em segundo lugar, a comunicação com vizinhos próximos limitará as classes de dinâmica quântica que podem ser utilizadas e o nível de paralelismo que um processador pode utilizar.
Finalmente, se todos os qubits forem feitos no mesmo substrato planar, isso representará um grande desafio para o processo de fabricação, pois mesmo um pequeno número de dispositivos com falha significa que o processador não funcionará.
“Para fazer a computação quântica funcionar, precisamos de milhões ou bilhões de qubits e precisamos fazer tudo certo”, disse Yan.
Repensando o Chip
Para resolver esses problemas, a equipe reformulou o design do processador quântico. O processador foi projetado para ser modular, de forma que diferentes componentes possam ser pré-selecionados antes de serem instalados na placa-mãe do processador.
Os próximos passos do grupo são trabalhar em maneiras de ampliar o processador quântico para mais qubits, encontrar novos princípios para aumentar as capacidades de processamento e, potencialmente, encontrar maneiras de conectar clusters de qubit conectados a um roteador da mesma forma que os supercomputadores conectam suas unidades de processamento. .
Eles também procuram aumentar a distância em que podem manter qubits.
“No momento, a faixa de integração está no meio, na ordem de milímetros”, disse Wu. Portanto, quando tentamos pensar em maneiras de conectar qubits remotos, temos que explorar novas maneiras de integrar outro tipo de tecnologia à nossa configuração atual.
Citação: “Um processador quântico modular com roteamento reconfigurável tudo para todos”, Wu et al, Revisão do Corpo X, 4 de novembro de 2024. DOI:
Financiamento: Dispositivos e experimentos foram apoiados pelo Escritório de Pesquisa e Laboratório Científico do Exército (ARO Grant No. W911NF2310077) e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR Grant No. FA9550-20-1-0270)
