بازنگری در چیپ کوانتومی: انقلاب آینده فناوری!

طراحی جدید پردازنده کوانتومی ابررسانا در دانشگاه شیکاگو

محققان در مدرسه مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME) موفق به طراحی جدیدی برای یک پردازنده کوانتومی ابررسانا شده‌اند که هدف آن ایجاد معماری‌ای برای دستگاه‌های بزرگ‌مقیاس و بادوامی است که انقلاب کوانتومی به آن نیاز دارد. برخلاف طراحی‌های معمولی چیپ‌های کوانتومی که اطلاعات را روی یک شبکه دو بعدی قرار می‌دهند، تیم آزمایشگاه کلند یک پردازنده کوانتومی مدولار طراحی کرده است که شامل یک روتر قابل تنظیم به عنوان هاب مرکزی می‌باشد. این طراحی به هر دو کیوبیت اجازه می‌دهد تا به هم متصل و درهم تنیده شوند، در حالی که در سیستم‌های قدیمی‌تر، کیوبیت‌ها تنها می‌توانستند با نزدیک‌ترین کیوبیت‌های فیزیکی خود ارتباط برقرار کنند.

پروفسور اندرو کلند از UChicago PME گفت: “یک کامپیوتر کوانتومی لزوماً با یک کامپیوتر کلاسیک در مواردی مانند اندازه حافظه یا اندازه CPU رقابت نمی‌کند. در عوض، آن‌ها از مقیاس‌بندی به طور بنیادی متفاوتی بهره می‌برند: دو برابر کردن قدرت محاسباتی یک کامپیوتر کلاسیک نیاز به دو برابر شدن اندازه CPU یا دو برابر شدن سرعت کلاک دارد. اما برای دو برابر کردن قدرت یک کامپیوتر کوانتومی تنها به یک کیوبیت اضافی نیاز است.”

این طراحی با الهام از کامپیوترهای کلاسیک، کیوبیت‌ها را در اطراف یک روتر مرکزی گروه‌بندی می‌کند، مشابه نحوه ارتباط کامپیوترها از طریق یک هاب شبکه مرکزی. “سوئیچ‌های کوانتومی” می‌توانند هر کیوبیت را در عرض چند نانوثانیه متصل و قطع کنند، که این امکان را برای ایجاد دروازه‌های کوانتومی با دقت بالا و تولید درهم‌تنیدگی کوانتومی، که منبعی اساسی برای محاسبات و ارتباطات کوانتومی است، فراهم می‌کند. ژونتائو وو، دانشجوی دکتری UChicago PME، گفت: “از نظر نظری هیچ محدودیتی برای تعداد کیوبیت‌هایی که می‌توانند از طریق روترها متصل شوند وجود ندارد. شما می‌توانید کیوبیت‌های بیشتری را متصل کنید اگر به قدرت پردازش بیشتری نیاز دارید، به شرطی که در یک فضای مشخص جا بگیرند.”

وو نویسنده اول مقاله جدیدی است که در فیزیک ریویو ایکس منتشر شده و این روش جدید اتصال کیوبیت‌های ابررسانا را توصیف می‌کند. چیپ کوانتومی جدید محققان، انعطاف‌پذیر، مقیاس‌پذیر و به اندازه چیپ‌های تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها مدولار است. وو گفت: “تصور کنید که یک کامپیوتر کلاسیک دارید که یک مادربرد دارد که اجزای مختلفی مانند CPU یا GPU، حافظه و سایر عناصر را یکپارچه می‌کند. بخشی از هدف ما این است که این مفهوم را به دنیای کوانتومی منتقل کنیم.”

اندازه و نویز

کامپیوترهای کوانتومی دستگاه‌های بسیار پیشرفته اما حساسی هستند که پتانسیل تغییر زمینه‌هایی مانند ارتباطات، بهداشت و درمان، انرژی پاک و رمزنگاری را دارند. برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به بهترین نحو به این مشکلات جهانی رسیدگی کنند، دو چیز باید اتفاق بیفتد. اول، آن‌ها باید به اندازه کافی بزرگ و با قابلیت عملیاتی انعطاف‌پذیر مقیاس‌گذاری شوند. کلند گفت: “این مقیاس‌گذاری می‌تواند راه‌حل‌هایی برای مشکلات محاسباتی ارائه دهد که یک کامپیوتر کلاسیک به سادگی نمی‌تواند به آن‌ها امید داشته باشد، مانند تجزیه اعداد بزرگ و در نتیجه شکستن کدهای رمزنگاری.”

چالش‌های طراحی پردازنده‌های کوانتومی

دومین شرط برای پردازنده‌های کوانتومی این است که باید خطاپذیری کمی داشته باشند و قادر به انجام محاسبات عظیم با حداقل خطا باشند. ایده‌آل این است که قدرت پردازش آن‌ها از کامپیوترهای کلاسیک پیشرفته کنونی فراتر رود. پلتفرم کیوبیت‌های ابررسانا که در حال توسعه است، یکی از رویکردهای امیدوارکننده برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی به شمار می‌رود. هاوژیونگ یان، یکی از نویسندگان این مقاله و فارغ‌التحصیل بهار گذشته از دانشگاه شیکاگو، در این باره گفت: “یک چیپ پردازنده ابررسانا معمولاً به شکل مربع است و تمام کیوبیت‌ها بر روی آن ساخته می‌شوند. این یک سیستم حالت جامد بر روی یک ساختار صفحه‌ای است.” او ادامه داد: “اگر بتوانید یک آرایه دو بعدی، مانند یک شبکه مربعی، را تصور کنید، این همان توپولوژی پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا است.”

محدودیت‌ها در طراحی معمولی

این طراحی معمولی چندین محدودیت را به همراه دارد. اول اینکه، قرار دادن کیوبیت‌ها بر روی یک شبکه به این معنی است که هر کیوبیت تنها می‌تواند با حداکثر چهار کیوبیت دیگر – همسایگان نزدیک خود در شمال، جنوب، شرق و غرب – تعامل داشته باشد. اتصال بیشتر کیوبیت‌ها معمولاً پردازنده‌ای قوی‌تر از نظر انعطاف‌پذیری و بار اجزای آن ایجاد می‌کند، اما محدودیت چهار همسایه به طور کلی به طراحی صفحه‌ای مربوط می‌شود. این بدان معناست که برای کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی، افزایش مقیاس دستگاه به روش‌های خشن احتمالاً منجر به نیازهای غیرواقعی منبع خواهد شد.

دوم، اتصالات همسایگی نزدیک به نوبه خود کلاس‌های دینامیک کوانتومی که می‌توانند پیاده‌سازی شوند و همچنین میزان موازی‌سازی که پردازنده قادر به اجرا است را محدود می‌کند. در نهایت، اگر تمام کیوبیت‌ها بر روی یک زیرلایه صفحه‌ای ساخته شوند، این موضوع چالش بزرگی برای بازده تولید ایجاد می‌کند، زیرا حتی تعداد کمی از دستگاه‌های ناکام بدین معناست که پردازنده کار نخواهد کرد. یان گفت: “برای انجام محاسبات کوانتومی عملی، به میلیون‌ها یا حتی میلیاردها کیوبیت نیاز داریم و باید همه چیز را به طور کامل بسازیم.”

بازنگری در طراحی چیپ

برای حل این مسائل، تیم طراحی پردازنده کوانتومی را بازنگری کرد. این پردازنده به گونه‌ای طراحی شده است که ماژولار باشد، به طوری که اجزای مختلف می‌توانند قبل از نصب بر روی مادربرد پردازنده، پیش‌انتخاب شوند. مراحل بعدی تیم شامل کار بر روی روش‌هایی برای افزایش مقیاس پردازنده کوانتومی به تعداد بیشتری کیوبیت، یافتن پروتکل‌های جدید برای گسترش قابلیت‌های پردازنده و احتمالاً یافتن راه‌هایی برای اتصال خوشه‌های کیوبیت متصل به روتر به روشی مشابه با نحوه اتصال پردازنده‌های اجزای ابرکامپیوترها است. آن‌ها همچنین به دنبال افزایش فاصله‌ای هستند که می‌توانند کیوبیت‌ها را در هم تنیده کنند. وو گفت: “در حال حاضر، دامنه اتصال به نوعی میان‌برد است، در حدود میلی‌متر.” او افزود: “بنابراین اگر بخواهیم راه‌هایی برای اتصال کیوبیت‌های دور از هم پیدا کنیم، باید روش‌های جدیدی برای ادغام سایر فناوری‌ها با تنظیمات کنونی خود بررسی کنیم.”

تأمین مالی

دستگاه‌ها و آزمایش‌ها با حمایت دفتر تحقیقات ارتش و آزمایشگاه علوم فیزیکی (کمک‌هزینه ARO شماره W911NF2310077) و همچنین دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی (کمک‌هزینه AFOSR شماره FA9550-20-1-0270) تأمین مالی شده‌اند.