インサイダーブリーフ
- MIT研究者は、複数の超伝導量子プロセッサ間の直接通信を可能にする新しい相互接続デバイスを開発し、現在のポイントツーポイントアーキテクチャの制限を克服しました。
- このデバイスは、超伝導ワイヤ（導波路）を使用して電子レンジの光子をシャトルし、量子情報を効率的に送信し、スケーラブルですべての接続性をサポートできるようにします。
- この相互接続を使用して、研究者は、吸収効率が60％を超える、量子プロセッサの分散ネットワークを構築するための重要なステップであるリモートエンタングルメントを実証しました。
- 画像：以前の研究からのこの画像は、マイクロ波光子を方向に発するために使用できる超伝導キクで構成されるモジュールを示しています。
プレスリリース – 量子コンピューターには、最も強力なクラシックスーパーコンピューターがクラックすることが不可能な複雑な問題を解決する可能性があります。
古典的なコンピューターには、メモリチップやマザーボード上のCPUなど、一緒に連携する必要があるコンポーネントが別々にあるように、量子コンピューターは複数のプロセッサ間で量子情報を通信する必要があります。
超伝導量子プロセッサを相互接続するために使用される現在のアーキテクチャは、接続性の「ポイントツーポイント」です。つまり、ネットワークノード間の一連の転送が必要であり、エラー率が複合されます。
これらの課題を克服する途中、MIT研究者は、ネットワーク内のすべての超伝導量子プロセッサが互いに直接通信できるように、スケーラブルな「すべての」通信をサポートできる新しい相互接続デバイスを開発しました。
彼らは2つの量子プロセッサのネットワークを作成し、相互接続を使用して、ユーザー定義の方向にオンデマンドでマイクロ波光子を送信しました。光子は、量子情報を運ぶことができる光の粒子です。
このデバイスには、プロセッサ間で光子をシャトルし、必要に応じてルーティングできる超伝導ワイヤ、または導波路が含まれています。研究者は、任意の数のモジュールを結合し、スケーラブルなプロセッサのネットワーク間で情報を効率的に送信できます。
彼らはこの相互接続を使用して、物理的に接続されていない量子プロセッサ間の相関の一種であるリモートエンタングルメントを実証しました。リモートエンタングルメントは、多くの量子プロセッサの強力で分散されたネットワークを開発するための重要なステップです。
「将来、量子コンピューターはおそらくローカルと非ローカルの両方の相互接続を必要とします。ローカルの相互接続は、超伝導Qubitsの配列で自然です。私たちのものは、より多くの非ローカル接続を可能にします。エレクトロニクスの研究研究所（RLE）および相互接続に関する論文の主著者。
彼女の共著者には、EQUSグループの大学院生であるBeatriz Yankelevichが含まれます。上級著者のウィリアム・D・オリバー、電気工学とコンピューターサイエンスおよび物理学のMIT教授、MITリンカーン研究所のフェロー、量子工学センターのディレクター、RLEのアソシエイトディレクター。 MITおよびLincoln Laboratoryの他の人々。研究はに掲載されます 自然物理学。
スケーラブルなアーキテクチャ
研究者 以前に量子コンピューティングモジュールを開発しました、導波路に沿って、情報を運ぶマイクロ波光子をどちらの方向にも送信できるようになりました。
新しい作品では、2つのモジュールを導波路に接続して、目的の方向に光子を放出し、反対側でそれらを吸収することにより、そのアーキテクチャをさらに一歩進めました。
各モジュールは、光子を運ぶ導波路とより大きな量子プロセッサの間のインターフェースとして機能する4つのキュービットで構成されています。
モジュール内のQubitsは、光子を発射および吸収し、導波路に吸収し、その情報を通信の結果を保存する近くのデータQubitsに引き渡します。
研究者は、一連のマイクロ波パルスを使用して、キクビットにエネルギーを加え、光子を放出します。これらのパルスの位相を慎重に制御することで、導波路に沿ってどちらの方向で光子を放出できる量子干渉効果が得られます。時間内にパルスを逆にすると、光子を吸収するために任意の距離がある別のモジュールのキュービットが可能になります。
「ピッチングとキャッチフォトンを使用すると、非ローカル量子プロセッサ間に「量子相互接続」を作成でき、量子相互接続を伴うとリモートの絡み合いがあります」とオリバーは説明します。
「リモートエンタングルメントを生成することは、小規模なモジュールから大規模な量子プロセッサを構築するための重要なステップです。その光子がなくなった後でも、2つの遠い、または「非ローカル」のQubitsとの相関があります。
ただし、2つのモジュール間に光子を転送するだけでは、リモートエンタングルメントを生成するのに十分ではありません。研究者は、モジュールがプロトコルの最後に光子を「共有」するように、キュービットと光子を準備する必要があります。
エンタングルメントの生成
チームは、期間の途中で光子放出パルスを停止することでこれを行いました。量子機械的用語では、光子は保持および放出されます。古典的には、半分の光子が保持され、半分が放出されると考えることができます。
受信機モジュールが「半光子」を吸収すると、2つのモジュールが絡み合ってしまいます。
しかし、光子が移動すると、導波路内の接合部、ワイヤー結合、および接続が光子を歪め、受信モジュールの吸収効率を制限します。
高い忠実度または精度でリモートエンタングルメントを生成するために、研究者は、光子が反対側で吸収される頻度を最大化するために必要でした。
「この作業の課題は、光子を適切に形作ることであり、吸収効率を最大化できるようにすることでした」とAlmanakly氏は言います。
彼らは、強化学習アルゴリズムを使用して、伝播光子が事前に歪む方法を学習しました。その後、彼らは光子を「前に」したので、モジュール間で送信される際に発光と吸収を最大化するために可能な限り最良の方法で形作られました。
この最適化された吸収プロトコルを実装したとき、60％を超える光子吸収効率を示すことができました。
この吸収効率は、プロトコルの終わりに得られる状態が絡み合っていることを証明するのに十分な高さであり、このデモの主要なマイルストーンです。
「このアーキテクチャを使用して、すべての接続性を備えたネットワークを作成できます。これは、同じバスに沿って複数のモジュールを作成できることを意味し、選択の任意のペアの間にリモートエンタングルメントを作成できます」とYankelevich氏は言います。
将来的には、おそらく個別のマイクロ波パッケージを接続する超伝導ワイヤを持っている代わりに3Dにモジュールを統合することにより、光子が伝播する経路を最適化することにより、吸収効率を改善できました。また、プロトコルを高速にすることができるため、エラーが蓄積する可能性が低くなります。
「原則として、私たちのリモートエンタングルメント生成プロトコルは、他の種類の量子コンピューターやより大きな量子インターネットシステムに拡張することもできます」とAlmanakly氏は言います。
この作業は、一部には、米国陸軍調査局、AWS量子コンピューティングセンター、および科学研究の米国空軍局によって資金提供されました。
