As empresas de computação quântica se concentram em configurações modulares

Empresas de computação quântica estão competindo há anos para espremer mais qubits em um chip. Mas os desafios de fabricação e conectividade significam que há limites para essa estratégia. O foco agora está mudando para vincular múltiplos processadores quânticos Juntos para construir computadores grandes o suficiente para enfrentar problemas no mundo actual.

Em janeiro, a empresa canadense de computação quântica Xanadu revelou o que diz é o primeiro computador quântico modular. A abordagem de Xanadu usa fótons como qubits-apenas uma das muitas maneiras de criar o equivalente de computação quântica de um bit clássico. Em um Artigo publicado no mesmo mês em Naturezapesquisadores da empresa descreveram como eles se conectaram 35 chips fotônicos e 13 quilômetros de fibra óptica Em quatro racks de servidores, para criar um computador quântico de 12 quits chamado Aurora. Embora existam computadores quânticos Com muito mais qubits hoje, XanaduDiz que o design demonstra todos os componentes principais para uma arquitetura modular que pode ser escalada até milhões de qubits.

Xanadu não é a única empresa focada na modularidade nos dias de hoje. Ambos IBM e o ionq começou a trabalhar para vincular seus processadores quânticoscom a IBM esperando para demonstrar uma configuração modular ainda este ano. E vários startups estão criando um nicho de edifício as tecnologias de apoio necessário para esta transição.

A maioria das empresas há muito reconhece que a modularidade é essencial para escalar, diz Christian Weedbrook, CEO da Xanadu, mas até agora eles priorizaram o desenvolvimento da tecnologia principal de qubit, que foi amplamente vista como o maior desafio técnico.Agora que as fichas com uso prático estão à vista e o maior processadores recurso Mais de 1.000 qubitsele acredita que o foco está mudando.

“Para chegar a um milhão de qubits, que é quando você pode começar a resolver verdadeiramente os problemas dos clientes, não poderá tê -los todos em um único chip”, diz Weedbrook. “A única maneira de realmente aumentar é através dessa abordagem modular de rede”.

Xanadu adotou uma abordagem não ortodoxa, concentrando -se no problema de escalabilidade primeiro. Uma das maiores vantagens de confiar fotônica para computação quântica – em oposição ao Qubits supercondutores Usado pela IBM e pelo Google – é que as máquinas são compatíveis com a tecnologia de rede convencional, o que simplifica a conectividade.

No entanto, a Aurora não é confiável o suficiente para cálculos úteis devido à alta perda óptica; Os fótons são absorvidos ou espalhados à medida que passam por componentes ópticos, introduzindo erros. Xanadu pretende minimizar essas perdas nos próximos dois anos desenvolvendo melhores componentes e otimizando a arquitetura. A empresa planeja começar Construindo um knowledge middle quântico em 2029.

A IBM também espera atingir um grande marco modular de computação quântica este ano. A empresa projetou um processador de 462 quits chamado flamingo com um embutido Hyperlink de comunicação quântica. No closing deste ano, a IBM planeja conectar três deles para criar o maior computador quântico – modular ou não – até an information.

A modularidade sempre foi central no roteiro quântico da IBM, diz Oliver Dial, diretor de tecnologia da IBM Quantum. Embora a empresa tenha frequentemente liderado o campo em empacotar mais qubits em processadores, há limites para o tamanho do chip. À medida que crescem, a fiação da eletrônica de controle se torna cada vez mais desafiadora, diz Dial. A construção de computadores com componentes menores, testáveis ​​e substituíveis simplifica a fabricação e a manutenção.

No entanto, a IBM está usando Qubits supercondutoresque operam em alta velocidade e são relativamente fáceis de fabricar, mas são menos favoráveis ​​à rede do que outras tecnologias quânticas. Esses qubits operam em frequências de microondas e, portanto, não podem fazer interface com facilidade com Comunicações ópticasque exigia que a IBM desenvolvesse acopladores especializados para conectar os dois chips adjacentes e os mais distantes.

IBM também está pesquisando Transdução quânticaque converte fótons de microondas em frequências ópticas que podem ser transmitidas fibra óptica. Mas a fidelidade das manifestações atuais está longe do que é necessário, diz Dial, portanto a transdução ainda não está no roteiro oficial da IBM.

A IBM planeja conectar três de seus processadores quânticos de flamingo quânticos de 462 quits este ano para fazer com que a empresa afirma que será o maior computador quântico ainda.IBM

Qubits de íons presos e de átomo neutro interagem diretamente com fótons, fazendo rede óptica mais viável. Em outubro passado, IONQ demonstrado A capacidade de enredar íons presos em diferentes processadores. Fótons enredados com íons em cada chipviajar fibra-óptica cabos e encontre -se em um dispositivo chamado Analisador de estado de sinoonde os fótons também estão emaranhados e seu estado combinado é medido. Isso causa os íons que os fótons estavam originalmente enredados para se tornarem ligados por meio de um processo chamado emaranhamento trocando.

Escalar isso para vincular um grande número de processadores quânticos exigirá muito trabalho, diz John Gamble, diretor sênior de Arquitetura do sistema e desempenho em ionq. Analisadores de estados de sino, atualmente implementados usando componentes ópticos de espaço livre, precisarão ser miniaturizados e fabricados usando fotônica integrada. Além disso, a fibra óptica é barulhenta, o que significa que a qualidade do emaranhamento criada através desses canais é relativamente baixa. Para resolver isso, a IONQ planeja gerar muitos pares de qubits fracamente enredados e realizar operações para destilar aqueles em um número menor de emaranhados de alta qualidade. Mas alcançar uma taxa alta o suficiente de emaranhados de qualidade continuará sendo um desafio.

A startup francesa Welinq está abordando esse problema incorporando um memória quântica em sua interconexão. O CEO Tom Darras diz uma das razões pelas quais o emaranhado sobre a fotônica interconexão é tão ineficiente é que os dois fótons necessários são frequentemente emitidos em momentos diferentes, então eles “sentem falta” um ao outro e não conseguem envolver. Adicionar uma memória cria um buffer que ajuda a sincronizar os fótons.

“Quando você precisa que eles se encontrem, eles realmente se encontram”, diz Darras. “Essas tecnologias nos permitem criar emaranhamento rápido o suficiente para que seja útil para o cálculo distribuído”.

Computadores quânticos modulares funcionais precisam de mais etapas

Depois que vários processadores estão vinculados, o desafio muda para a execução do Quantum Algoritmos através deles. É por isso que o WelinQ também desenvolveu um compilador quântico, chamado Araqne, que determina como particionar um algoritmo em vários processadores e minimizando a sobrecarga da comunicação.

Pesquisadores de Universidade de Oxford fez um Recente avanço nesta frentecom a primeira demonstração convincente de um algoritmo quântico executando em dois processadores interconectados. Os pesquisadores realizaram operações lógicas entre dois qubits de íons presos em diferentes dispositivos. Os qubits foram enredados usando uma conexão fotônica, e os processadores executaram uma versão muito básica do algoritmo de pesquisa de Grover.

A peça closing do quebra-cabeça descobrirá como adaptar os esquemas de correção de erros para este novo futuro modular. A startup nu quantum recentemente demonstrado isso distribuído Correção de erro quântico não é apenas viável, mas eficiente.

“Este é um resultado realmente grande porque, pela primeira vez, a computação quântica e a modularidade distribuídas é uma opção actual”, diz o CEO da Nu Quantum, Carmen Palacios-Berraquero. “Antes, não sabíamos como faríamos isso em um tolerante a falhas maneira, se period eficiente, ou se fosse viável. ”

Este artigo aparece na edição de impressão de março de 2025.