Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma “interconexão” que pode facilitar o emaranhamento remoto, um passo basic em direção a um computador quântico prático.
Os computadores quânticos têm o potencial de resolver problemas complexos que seriam impossíveis para o mais poderoso supercomputador clássico quebrar.
Assim como um computador clássico possui componentes separados, mas interconectados, que devem trabalhar juntos, como um chip de memória e uma CPU em uma placa -mãe, um computador quântico precisará comunicar informações quânticas entre vários processadores.
As arquiteturas atuais usadas para interconectar processadores quânticos supercondutores são “ponto a ponto” na conectividade, o que significa que eles exigem uma série de transferências entre nós de rede, com taxas de erro de composição.
No caminho para superar esses desafios, os pesquisadores do MIT desenvolveram um novo dispositivo de interconexão que pode oferecer suporte à comunicação escalável e “completa”, de modo que todos os processadores quânticos supercondutores em uma rede possam se comunicar diretamente entre si.
Eles criaram uma rede de dois processadores quânticos e usaram sua interconexão para enviar fótons de microondas sob demanda em uma direção definida pelo usuário. Os fótons são partículas de luz que podem transportar informações quânticas.
O dispositivo inclui um fio supercondutor, ou guia de ondas, que transporta os fótons entre os processadores e pode ser roteado até onde necessário. Os pesquisadores podem acoplar qualquer número de módulos, transmitindo informações com eficiência entre uma rede escalável de processadores.
Eles usaram essa interconexão para demonstrar emaranhamento remoto, um tipo de correlação entre processadores quânticos que não estão fisicamente conectados. O emaranhamento remoto é um passo essencial para o desenvolvimento de uma rede poderosa e distribuída de muitos processadores quânticos.
“Sooner or later, a quantum pc will most likely want each native and nonlocal interconnects. Native interconnects are pure in arrays of superconducting qubits. Ours permits for extra nonlocal connections. We are able to ship photons at completely different frequencies, occasions, and in two propagation instructions, which provides our community extra flexibility and throughput,” says Aziza Almanakly, {an electrical} engineering and pc science graduate pupil within the Grupo de sistemas quânticos de engenharia do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) e autor principal de um artigo sobre a interconexão.
Seus co-autores incluem Beatriz Yankelevich, um estudante de graduação no grupo EQUS; Autor sênior William D. OliverProfessor de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT e da Física, membro do MIT Lincoln Laboratory, diretor do Centro de Engenharia Quântica e Diretor Associado da RLE; e outros no MIT e Lincoln Laboratory. A pesquisa aparece hoje em Nature Physics.
Uma arquitetura escalável
Os pesquisadores desenvolveu anteriormente um módulo de computação quânticaque lhes permitiu enviar fótons de microondas que carregam informações em qualquer direção ao longo de um guia de ondas.
No novo trabalho, eles levaram essa arquitetura um passo adiante, conectando dois módulos a um guia de ondas para emitir fótons na direção desejada e depois absorvê -los na outra extremidade.
Cada módulo é composto por quatro qubits, que servem como uma interface entre o guia de ondas que transporta os fótons e os maiores processadores quânticos.
Os qubits acoplados ao guia de ondas emitem e absorvem fótons, que são transferidos para os dados próximos.
Os pesquisadores usam uma série de pulsos de microondas para adicionar energia a um qubit, que emite um fóton. Controlar cuidadosamente a fase desses pulsos permite um efeito de interferência quântica que lhes permita emitir o fóton em qualquer direção ao longo do guia de ondas. A reversão dos pulsos no tempo permite um qubit em outro módulo qualquer distância arbitrária para absorver o fóton.
“Os fótons de arremesso e captura nos permitem criar uma ‘interconexão quântica’ entre processadores quânticos não -locais e com interconexões quânticas vêm emaranhamento remoto”, explica Oliver.
“Producing distant entanglement is an important step towards constructing a large-scale quantum processor from smaller-scale modules. Even after that photon is gone, we’ve got a correlation between two distant, or ‘nonlocal,’ qubits. Distant entanglement permits us to benefit from these correlations and carry out parallel operations between two qubits, regardless that they’re not related and could also be far aside,” Yankelevich explains.
No entanto, transferir um fóton entre dois módulos não é suficiente para gerar emaranhamento remoto. Os pesquisadores precisam preparar os qubits e o fóton para que os módulos “compartilhem” o fóton no ultimate do protocolo.
Gerando emaranhamento
A equipe fez isso interrompendo os pulsos de emissão de fótons no meio da duração. Em termos mecânicos quânticos, o fóton é retido e emitido. Classicamente, pode-se pensar que meio fóton é retido e a metade é emitida.
Uma vez que o módulo receptor absorve esse “meio fóton”, os dois módulos ficam enredados.
Mas, à medida que o fóton viaja, articula, ligações de fios e conexões no guia de ondas distorcem o fóton e limitam a eficiência de absorção do módulo receptor.
Para gerar emaranhamento remoto com alta fidelidade o suficiente, ou precisão, os pesquisadores precisavam maximizar a frequência com que o fóton é absorvido na outra extremidade.
“O desafio neste trabalho foi moldar o fóton adequadamente para que pudéssemos maximizar a eficiência da absorção”, diz Almanakly.
Eles usaram um algoritmo de aprendizado de reforço para “predistortar” o fóton. O algoritmo otimizou os pulsos de protocolo para moldar o fóton para obter a eficiência máxima de absorção.
Quando implementaram esse protocolo de absorção otimizado, foram capazes de mostrar eficiência de absorção de fótons superior a 60 %.
Essa eficiência de absorção é alta o suficiente para provar que o estado resultante no ultimate do protocolo está enredado, um grande marco nesta demonstração.
“Podemos usar essa arquitetura para criar uma rede com conectividade tudo para tudo. Isso significa que podemos ter vários módulos, durante todo o mesmo barramento, e podemos criar emaranhamento remoto entre qualquer par de nossa escolha”, diz Yankelevich.
No futuro, eles poderiam melhorar a eficiência da absorção, otimizando o caminho sobre o qual os fótons se propagam, talvez integrando módulos em 3D em vez de ter um fio supercondutor conectando pacotes de microondas separados. Eles também podem tornar o protocolo mais rápido, para que haja menos possibilities de acumular erros.
“Em princípio, nosso protocolo de geração de emaranhamento remoto também pode ser expandido para outros tipos de computadores quânticos e maiores sistemas de web quânticos”, diz Almanakly.
Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Centro de Computação Quântica da AWS e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
