Квантовый процессор из стекла может стать ключом к новой архитектуре компьютеров будущего

Компания IonQ представила основу будущих многоядерных квантовых процессоров с возможностью изменения конфигурации кубитов. Процессор выполнен из кварцевого стекла и обещает простое производство и эксплуатацию квантовых вычислительных систем никакой криогеники, вплоть до стоечной компоновки в обычных вычислительных залах.

Стеклянный квантовый процессор IonQ. Источник изображения: IonQ

До сегодняшнего дня квантовые процессоры с оптическими ионными ловушками выпускались с использованием кремниевых подложек, если говорить о системах на чипе. Компания IonQ также использовала эту технологию, но новые процессоры она начала выпускать на подложках из кварцевого стекла. Такая технология широко используется для производства микрожидкостных микросхем для задач аналитической химии и медицины, поэтому с заводскими мощностями у IonQ проблем нет и не будет это всё работает и стоит совсем недорого.

Кроме эффективности производства переход на стекло даёт дополнительные и более важные эффекты это отсутствие случайных электромагнитных полей, которые возможны в кремнии, и прозрачность для лазеров в широком оптическим диапазоне. Первое даёт низкий уровень помех и повышает точность вычислений с кубитами, а второе позволяет с наименьшими потерями проникнуть лучам лазеров внутрь чипа и достучаться до удерживаемых в ловушке ионов (кубитов), чтобы сделать с ними что-то полезное.

Новая система IonQ. Источник изображения: IonQ

Также стекло упрощает создание оптических соединений для сопряжения нескольких квантовых процессоров в один вычислительный узел, а это сравнительно простое масштабирование квантовых систем, о чём мечтают все причастные.

Для подтверждения эффективности нового предложения компания IonQ представила 64-кубитовый квантовый процессор из кварцевого стекла с напылением (осаждением) металлических компонентов. Процессор представляет собой линейную ионную ловушку, в которой ионы располагаются цепочкой. Процессор IonQ оперирует 4 цепочками по 16 ионов в каждой. Впрочем, по 4 иона в каждой цепочке используются для технических нужд, если так можно сказать: они участвуют в так называемых столкновительно-охлаждающих операциях, призванных стабилизировать вычислительные ионы при перемещении по ловушке. Тем самым число вычислительных кубитов снижается до 48, а на самом деле оно ещё меньше 32, если учитывать коррекцию ошибок.

В линейной ловушке цепочки можно сопрягать, связывая до 32 кубитов. Падающие на чип лазерные лучи, одновременно могут управлять только 16 кубитами (одной цепочкой за раз). Эти лазеры задают как квантовые состояния отдельных кубитов, так и связывают пары. Сопрягая цепочки можно последовательно связать все кубиты в процессоре, что довольно просто по сравнению со сверхпроводящими кубитами, как в системе IBM или Google.

Самым ценным в новой разработке компания IonQ видит лёгкость масштабирования как в пределах цепочек в составе процессора, так и с позиции соединения множества процессоров. Резкий рост производительности происходит уже на этапе добавления каждого нового иона (кубита) в цепочке. В общем в IonQ рассчитывают увеличить число кубитов в предложенной архитектуре до трёхзначного значения. И это событие не за горами. Системы IonQ очень близки к коммерческой стадии производства и могут стать доступными в ближайшие годы.