پردازنده‌ی کوانتومی انقلابی از شیکاگو: کیوبیت‌ها را دوباره به هم وصل کردند!

طراحی نوآورانه پردازنده‌ی کوانتومی ابررسانا از دانشگاه شیکاگو

محققین در دانشکده‌ی مهندسی ملکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME) به یک طرح جدید برای پردازنده‌ی کوانتومی ابررسانا دست یافتند که هدفش ایجاد معماری مدرن برای دستگاه‌های بزرگ‌مقیاس و پایدار است؛ دستگاه‌هایی که انقلاب کوانتومی نیازمند آنهاست. برخلاف طرح‌های معمول تراشه‌های کوانتومی که اطلاعات را روی یک شبکه‌ی دوبُعدی می‌چینند، گروه تحقیقاتی آزمایشگاه کلند، یک پردازنده‌ی کوانتومی مدولار را طراحی کرده‌اند که شامل یک روتر قابل تنظیم به عنوان مرکز اصلی است. این طراحی باعث می‌شود هر دو کیوبیت بتوانند به هم وصل شده و درهم‌تنیده شوند، در حالی که در سیستم‌های قدیمی‌تر، کیوبیت‌ها فقط می‌توانستند با نزدیک‌ترین کیوبیت‌های فیزیکی خود ارتباط برقرار کنند.

پروفسور اندرو کلند از UChicago PME گفت: “یک کامپیوتر کوانتومی لزوماً در مسائلی مثل اندازه‌ی حافظه یا اندازه‌ی پردازنده، با کامپیوترهای کلاسیک رقابت نمی‌کند. در عوض، آنها از مقیاس‌بندی متفاوتی بهره‌مند هستند: برای دو برابر کردن قدرت محاسباتی یک کامپیوتر کلاسیک، نیاز به دو برابر شدن اندازه‌ی CPU یا دو برابر شدن سرعت ساعت داریم؛ ولی برای دو برابر کردن قدرتِ یک کامپیوتر کوانتومی، تنها یک کیوبیتِ اضافی کافی است.”

این طرح، با الهام از کامپیوترهای کلاسیک، کیوبیت‌ها را به دور یک روتر مرکزی گروه‌بندی می‌کند، درست مثل نحوه‌ی ارتباط کامپیوترها از طریق یک هاب شبکه‌ی مرکزی. “سوئیچ‌های کوانتومی” می‌توانند هر کیوبیت را در عرض چند نانوثانیه وصل یا قطع کنند، که این امکان را به وجود می‌آورد که گیت‌های کوانتومی با دقت بالا ایجاد شده و درهم‌تنیدگی کوانتومی تولید شود که منبعی بنیادی برای محاسبات و ارتباطات کوانتومی به شمار می‌رود. ژونتائو وو، دانشجوی دکتری UChicago PME، گفت: “از لحاظ نظری، هیچ محدودیتی برای تعداد کیوبیت‌هایی که می‌توانند از طریق این روترها متصل شوند، وجود ندارد. شما می‌توانید تعداد بیشتری کیوبیت وصل کنید اگر به قدرت پردازش بیشتری نیاز دارید، به شرطی که در یک فضای مشخص جا شوند.”

وو نویسنده‌ی اصلی یک مقاله‌ی جدید است که در مجله‌ی فیزیک ریویو ایکس منتشر شده و در آن، این روش جدید اتصال کیوبیت‌های ابررسانا توضیح داده شده است. تراشه‌ی کوانتومی جدید محققان، هم منعطف است، هم مقیاس‌پذیر و هم به اندازه‌ی تراشه‌های گوشی‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها، مدولار است. وو گفت: “تصور کنید یک کامپیوتر کلاسیک دارید که یک مادربرد دارد و اجزای مختلفی مثل CPU یا GPU، حافظه و دیگر قطعه‌ها 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 ولی حساسی هستند که توانایی تغییر دادن زمینه‌هایی مثل ارتباطات، بهداشت و درمان، انرژی پاک و رمزنگاری را دارند. برای این که کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به بهترین شکل به این مشکلات جهانی رسیدگی کنند، دو اتفاق باید بیفتد. اول، آنها باید به اندازه‌ی کافی بزرگ باشند و قابلیت عملیاتی انعطاف‌پذیری داشته باشند. به گفته‌ی کلند: “این مقیاس‌پذیری می‌تواند راه‌حل‌هایی برای مشکلات محاسباتی ارائه دهد که یک کامپیوتر کلاسیک، به سادگی نمی‌تواند به آنها دست پیدا کند؛ مثل تجزیه‌ی اعداد بزرگ و در نتیجه شکستن کدهای رمزنگاری.”

چالش‌های طراحی پردازنده‌های کوانتومی

شرط دوم 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 پیشرفته‌ی کنونی فراتر رود. پلتفرم کیوبیت‌های ابررسانا که داره توسعه داده میشه، یکی از راه‌های امیدوارکننده برای ساختن یک کامپیوتر کوانتومی به حساب میاد. هاوژیونگ یان، که یکی از نویسندگان این مقاله است و سال گذشته از دانشگاه شیکاگو فارغ‌التحصیل شده، در این باره گفت: “یک تراشه‌ی پردازنده‌ی ابررسانا معمولاً به شکل مربع دیده میشه و تمام کیوبیت‌ها روی آن ساخته میشن. این یعنی یک سیستم حالت جامد بر روی یک ساختار صفحه‌ای.” او اضافه کرد: “اگر بتونید یک آرایه‌ی دوبُعدی، مثل یه شبکه‌ی مربعی، رو تصور کنید، این همون توپولوژی پردازنده‌های کوانتومی ابررساناست.”

محدودیت‌ها در طراحی معمولی

این طراحی معمولی، چندین محدودیت داره. اول اینکه قرار گرفتن کیوبیت‌ها روی یک شبکه به این معنیه که هر کیوبیت تنها می‌تونه با حداکثر چهار کیوبیت دیگه – همسایه‌های نزدیکش در شمال، جنوب، شرق و غرب – تعامل داشته باشه. متصل کردن کیوبیت‌های بیشتر معمولاً پردازنده‌ی قوی‌تری از نظر انعطاف‌پذیری و بار اجزای اون ایجاد می‌کنه، ولی محدودیت چهار همسایه، کلاً به طراحی صفحه‌ای مربوط میشه. منظور اینه که برای کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی، افزایش مقیاس دستگاه به روش‌های سنتی، احتمالاً منجر به نیازهای نامعقولی از منابع خواهد شد.

دوم اینکه، اتصالات همسایگی نزدیک، به نوبه‌ی خود انواع دینامیک کوانتومی که می‌تونند پیاده‌سازی بشن رو محدود می‌کنه، و همچنین میزان موازی‌سازی‌ای که پردازنده قادر به اجراشه رو هم محدود می‌کنه. در نهایت، اگه تمام کیوبیت‌ها روی یه زیرلایه‌ی صفحه‌ای ساخته بشن، این موضوع، یه چالش بزرگ برای بازده‌ی تولید ایجاد می‌کنه؛ چون حتی تعداد کمی دستگاهِ خراب، به این معنیه که پردازنده کار نخواهد کرد. یان گفت: “برای انجام محاسبات کوانتومی عملی، ما به میلیون‌ها یا حتی میلیاردها کیوبیت نیاز داریم و باید همه چیز رو به طور کامل بسازیم.”

بازنگری در طراحی تراشه

برای حل این مسائل، تیم، طراحی پردازنده‌ی کوانتومی رو مورد بازبینی قرار داد. این پردازنده به گونه‌ای طراحی شده که ماژولار باشه، به این صورت که قطعه‌های مختلف می‌تونن قبل از نصب بر روی مادربرد پردازنده، انتخاب بشن. گام‌های بعدی تیم شامل کار بر روی روش‌هایی برای افزایش مقیاس پردازنده‌ی کوانتومی به تعداد بیشتری کیوبیت، پیدا کردن پروتکل‌های جدید برای گسترش قابلیت‌های پردازنده و احتمالاً پیدا کردن راه‌هایی برای وصل کردن خوشه‌های کیوبیت متصل به روتر به روشی شبیه به نحوه‌ی وصل شدن پردازنده‌های اجزای ابرکامپیوترها است. آنها همچنین در تلاشند فاصله‌ای که کیوبیت‌ها رو می‌تونن در هم تنیده کنند، افزایش بدن. وو گفت: “در حال حاضر، دامنه‌ی اتصال یه جورایی متوسطه، در حدود میلی‌متر.” او افزود: “بنابراین اگه بخواهیم راه‌هایی برای متصل کردن کیوبیت‌های دور از هم پیدا کنیم، باید روش‌های جدیدی برای ترکیب کردن سایر فناوری‌ها با تنظیمات کنونی‌مون 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.