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下一代量子计算机的捕获离子技术研究

更新时间:2020-08-02 19:34点击:

量子计算机(QC)将在包括医学、材料科学和互联网安全在内的几个领域推动重要进展。虽然目前的QC系统都很小,但一些行业和学术界正在努力构建具有数百个量子位元的大型系统。

为此,普林斯顿大学的计算机科学家和杜克大学的物理学家合作开发了设计下一代量子计算机的方法。他们的研究集中于使用捕获离子(TI)技术构建的QC系统,这是目前领先的QC硬件技术之一。通过将计算机体系结构技术和设备模拟结合在一起,该团队表明,与应用程序共同设计近期硬件可以潜在地提高TI系统的可靠性,提高4个数量级。

他们的研究是作为量子协同设计(STAQ)软件定制架构(Software-Tailored Architecture for Quantum co-design,简称STAQ)项目的一部分进行的。STAQ是由美国国家科学基金会(NSF)资助的合作研究项目,目的是建立一个追踪离子量子计算机。它最近在2020年ACM/IEEE计算机架构国际研讨会上发表。

向更大的捕获离子量子计算机发展

捕获离子(TI)是构建量子位元(quantum bits)的主要候选者之一。在钛系统中,原子离子量子位(如钙离子或镱离子)被孤立并困在电场中。为了存储量子信息,用离子的内部原子状态来表示0和1量子位态。通过使用精心调谐的激光脉冲离子,这些系统可以在这些信息上执行门(指令),导致比标准的“经典”计算机运行得更快的计算。像IonQ、霍尼韦尔和Alpine Quantum Technologies这样的公司,以及像我们在杜克大学这样的学术团体,都在致力于使用这种硬件构建QC系统。在单离子链上发表的结果包括在IonQ上对11个量子位的完全控制和在马里兰大学对53个量子位的量子模拟。

虽然目前的TI器件已经显示出了显著的前景,但更大的器件需要拥有50到100个量子位元才能证明比经典计算的优势。然而,目前大多数TI器件都有一个基本的瓶颈——它们基于单阱结构,所有的离子都被安置在同一个阱区。在这种结构中,随着更多的离子加入到阱中,量子位控制和栅极实现变得越来越具有挑战性。

认识到这些困难,一个替代的可扩展架构,称为量子电荷耦合器件(QCCD)早在2002年被提出。一个QCCD系统是由一组陷阱组成的,每个陷阱都包含少量的离子,而不是一个单一的大陷阱。

与单阱结构类似,栅极可以在同一阱内的一个或多个离子上执行。为了使阱间的纠缠成为可能,QCCD使用离子穿梭来与系统中的离子进行通信。也就是说,当一对处于不同陷阱中的离子要进行两量子位元操作时,其中一个离子被物理地移动到另一个陷阱中,在栅极执行之前将两个离子同步定位。在过去的二十年里,建造这些系统所需的所有操作都已经被开发和磨练。最近,霍尼韦尔集成了这些组件,建立了第一个拥有4个量子位元的QCCD系统。

下一代QCCD系统的架构

为了构建具有50到100个量子位元的下一代QCCD系统,硬件设计者必须处理各种相互冲突的设计选择。“我们应该在每个陷阱中放置多少个离子?”什么样的通信拓扑适合近期QC应用?硬件中实现闸和穿梭操作的最佳方法是什么?这些都是我们的作品想要回答的关键设计问题,”普林斯顿大学的研究生普拉卡什·穆拉里说。虽然已经进行了一些单独的实验来理解其中的一些选择,但是没有关于这些选择对应用程序及其总体系统级性能和可靠性权衡的影响的研究。此外,硬件设计者必须与不可靠的门和其他短期系统的限制作斗争,同时还要支持不断发展的量子应用程序组合。

为了有效地研究这些设计选择,研究人员建立了一个设计工具流程,用来估计在一个指定的QCCD设备上一组量子程序的可靠性、执行时间和其他指标。这个工具流程由两部分组成。第一部分是一个编译器,它将程序映射到QCCD系统上可用的基本操作。由于来回切换容易出错且耗时,因此编译器试图通过最小化来回切换的总量来提高应用程序的整体可靠性和性能。第二部分是一个QCCD模拟器,它使用QCCD系统的真实性能和噪声模型,来自硬件特性工作,以估计一个应用程序的执行质量。穆拉利说:“这些组件让我们能够自动确定一个大型设计空间的特征,并测试设备架构对应用程序的影响。”

利用这个工具流程,他们确定了每个阱15到25个离子的最佳点,这可能在应用程序中很好地工作,在高阱尺寸的栅错误和低阱尺寸的穿梭错误之间提供了最佳的折衷。总的来说,他们表明,调优系统的架构属性,如陷阱中的离子数量和拓扑结构,会对应用程序执行的可靠性产生三个数量级的影响。此外,优化低级门实现和穿梭方法可以进一步提高可靠性的另一个数量级。杜克大学研究生德布罗伊(Dripto Debroy)说:“通过理解这些不同选择的相互作用方式,我们的工作使QCCD系统能够在短期内完成有用的计算,在量子计算机变得足够大、变得真正可靠之前。”

计算机体系结构和基于仿真的设计是经典计算技术进步的关键。通过利用这些技术进行QC设计,并采用设计空间的完整系统视图,而不是只关注硬件,本研究寻求加速迈向下一个重要里程碑50至100量子位元。目前,两种最有希望达到1000s离子规模的想法是大型QCCD系统和小型QCCD系统之间的光子互连。这一近期QCCD设备的架构研究有潜力指导QC硬件设计的两个未来的方向。