Os computadores quânticos (QC) estão preparados para impulsionar avanços importantes em vários domínios, incluindo remédios, ciência de materiais e segurança na Internet. Embora os sistemas de controle de qualidade atuais sejam pequenos, vários esforços da indústria e acadêmicos estão em andamento para construir grandes sistemas com muitas centenas de qubits.

Para isso, cientistas da computação da Universidade de Princeton e físicos da Universidade de Duke colaboraram para desenvolver métodos para projetar a próxima geração de computadores quânticos. Seu estudo se concentrou em sistemas de controle de qualidade construídos usando tecnologia de íons aprisionados (TI), que é uma das tecnologias atuais de hardware de controle de qualidade de primeira linha. Ao reunir técnicas de arquitetura de computador e simulações de dispositivos, a equipe mostrou que o co-projeto de hardware de curto prazo com aplicativos pode melhorar a confiabilidade dos sistemas de TI em até quatro ordens de magnitude.

O estudo foi conduzido como parte do projeto de arquitetura sob medida para co-design Quantum (STAQ), um esforço de pesquisa colaborativa financiado pela NSF para construir um computador quântico de íon aprisionado e o projeto EPiQC (Expedition in Computing Enabling Practical-Scale Quantum Computing) da NSF CISE Expedition in Computing. Foi publicado recentemente no 2020 ACM / IEEE International Symposium on Computer Architecture.

Em direção a computadores quânticos maiores de íons presos

Íons presos (TI) são um dos principais candidatos para construir qubits (bits quânticos). Em um sistema TI, qubits de íons atômicos (como íons de cálcio ou itérbio) são isolados e aprisionados em um campo elétrico. Para armazenar informações quânticas, os estados atômicos internos dos íons são usados ​​para representar os estados 0 e 1 qubit. Ao pulsar os íons usando lasers cuidadosamente ajustados, esses sistemas podem realizar portas (instruções) nessas informações, levando a cálculos que podem ser executados muito mais rápido do que em um computador "clássico" padrão. Empresas como IonQ, Honeywell, e Alpine Quantum Technologies, bem como grupos acadêmicos como o nosso na Duke University, estão trabalhando para construir sistemas de CQ usando esse hardware. Os resultados publicados em cadeias de íons simples incluem o controle completo de 11 qubits no IonQ e simulações quânticas em 53 qubits na Universidade de Maryland.

Embora os dispositivos de TI atuais tenham mostrado uma promessa significativa, dispositivos maiores com 50 a 100 qubits são necessários para demonstrar vantagens sobre a computação clássica. Contudo, a maioria dos dispositivos de TI atuais tem um gargalo de escala fundamental - eles são baseados em uma arquitetura monolítica single-trap, onde todos os íons estão alojados na mesma zona de captura. Nesta arquitetura, O controle de qubit e a implementação de gate tornam-se cada vez mais desafiadores à medida que mais íons são adicionados à armadilha.

Reconhecendo essas dificuldades, uma arquitetura escalonável alternativa, chamado Quantum Charged Coupled Device (QCCD) foi proposto já em 2002. Um sistema QCCD é composto de um conjunto de armadilhas, cada um segurando um pequeno número de íons, em vez de uma única grande armadilha.

Semelhante a arquiteturas single-trap, portas podem ser executadas em um ou mais íons que estão co-localizados dentro de uma armadilha. Para permitir o emaranhamento em armadilhas, QCCD usa transporte de íons para comunicar íons através do sistema. Isso é, quando uma operação de dois qubit deve ser realizada em um par de íons que estão em armadilhas diferentes, um dos íons é fisicamente movido para a outra armadilha, co-localizar os íons antes que a porta seja executada. Nas últimas duas décadas, todas as operações necessárias para construir esses sistemas foram desenvolvidas e aprimoradas. Recentemente, A Honeywell integrou esses componentes para construir o primeiro sistema QCCD com 4 qubits.

Arquitetando a próxima geração de sistemas QCCD

Para construir a próxima geração de sistemas QCCD com 50 a 100 qubits, os designers de hardware precisam lidar com uma variedade de opções de design conflitantes. "Quantos íons devemos colocar em cada armadilha? Quais topologias de comunicação funcionam bem para aplicativos de QC de curto prazo? Quais são os melhores métodos para implementar portas e operações de transporte em hardware? Estas são as principais questões de design que nosso trabalho busca responder, "disse Prakash Murali, um estudante de graduação na Universidade de Princeton. Embora experimentos individuais tenham sido realizados para entender algumas dessas escolhas, não há estudos sobre o impacto dessas opções nos aplicativos e no desempenho geral no nível do sistema e nas compensações de confiabilidade. Além disso, os projetistas de hardware precisam enfrentar portas não confiáveis ​​e outras limitações dos sistemas de curto prazo e ainda assim suportar uma combinação em evolução de aplicativos quânticos.

Para estudar essas escolhas de design de forma eficiente, os pesquisadores construíram um fluxo de ferramenta de design que estima a confiabilidade, tempo de execução e outras métricas para um conjunto de programas quânticos em um dispositivo QCCD especificado. Este fluxo de ferramenta consiste em duas partes. A primeira parte é um compilador que mapeia o programa até as operações primitivas que estarão disponíveis nos sistemas QCCD. Uma vez que o transporte é sujeito a erros e demorado, o compilador busca melhorar a confiabilidade e o desempenho geral do aplicativo, minimizando a quantidade total de transporte. A segunda parte é um simulador QCCD que usa modelos realistas de desempenho e ruído para sistemas QCCD, derivado de trabalhos de caracterização de hardware, para estimar a qualidade da execução de um aplicativo. "Juntos, esses componentes nos permitem caracterizar automaticamente um grande espaço de design e testar o impacto da arquitetura do dispositivo nos aplicativos, "disse Murali.

Usando este fluxo de ferramenta, eles identificaram um ponto ideal de 15 a 25 íons por armadilha que provavelmente funcionará bem em todas as aplicações, fornecendo a melhor compensação entre erros de portão em tamanhos de armadilha altos e erros de transporte em tamanhos de armadilha baixos. Geral, eles mostraram que o ajuste dos atributos arquitetônicos do sistema, como o número de íons em uma armadilha e a topologia, pode impactar a confiabilidade das execuções do aplicativo em até três ordens de magnitude. Avançar, otimizar as implementações de portão de baixo nível e métodos de transporte pode melhorar ainda mais a confiabilidade em outra ordem de magnitude. "Ao compreender a forma como essas diferentes escolhas interagem, nosso trabalho habilita sistemas QCCD que podem realizar cálculos úteis a curto prazo, antes que os computadores quânticos sejam grandes o suficiente para se tornarem realmente confiáveis, "disse o pesquisador Dripto Debroy, um estudante de graduação na Duke University.

Arquitetura de computador e design baseado em simulação têm sido um facilitador chave do progresso da tecnologia na computação clássica. Ao alavancar essas técnicas para design de QC e adotar uma visão de sistema completa do espaço de design, em vez de focar apenas no hardware, este estudo visa acelerar o progresso em direção ao próximo marco importante de 50 a 100 qubits. Atualmente, as duas idéias mais promissoras para escalar para 1000 de íons são grandes sistemas QCCD e interconexões fotônicas entre pequenos sistemas QCCD. Este estudo arquitetônico de dispositivos QCCD de curto prazo tem o potencial de guiar o projeto de hardware de QC para ambas as direções futuras.