Kunnen qubits een kabel delen?

Een van de obstakels bij de ontwikkeling van krachtige kwantumcomputers is het groeiende aantal kabels dat nodig is om een ​​computer te besturen naarmate het aantal qubits toeneemt. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden hebben nu aangetoond dat meerdere qubits dezelfde kabel kunnen delen – zonder de rekentijd significant te verhogen.

Het artikel Overhead in Quantum Circuits with Time-Multiplexed Qubit Control is gepubliceerd in het tijdschrift PRX Quantum.

Het opschalen van kwantumcomputers brengt praktische uitdagingen met zich mee. Veel soorten kwantumcomputers – waaronder die gebaseerd op supergeleidende circuits – moeten worden gekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, oftewel -273,15 °C. Koeling wordt bereikt met behulp van helium in cryostaten rondom de kwantumcomputer. Om kwantumcomputaties te besturen, worden signalen via kabels verzonden van elektronica buiten het systeem naar de gekoelde qubits binnenin. Maar die kabels produceren warmte die de temperatuur in de cryostaat beïnvloedt, waardoor het risico bestaat dat de qubits hun vermogen verliezen om de berekening voort te zetten.

Ingrid Strandberg, stafwetenschapper in kwantumtechnologie: “Omdat elke qubit momenteel een eigen kabel nodig heeft, is er een limiet aan het aantal qubits dat een systeem kan bevatten voordat de temperatuur te hoog wordt en de kwantumcomputer stopt met werken. Er zijn ook fysieke beperkingen, omdat de kabels ruimte innemen in de cryostaat.”

Microgolfschakelaars

Een relatief onontgonnen benadering is om meerdere qubits dezelfde kabel te laten delen. In plaats van qubits parallel te besturen met elk een eigen kabel, worden ze sequentieel en snel achter elkaar bestuurd met minder kabels. Het proces vereist dat er naast de kwantumprocessor microgolfschakelaars worden geïnstalleerd om elk besturingssignaal naar de juiste qubit te leiden – een procedure die bekend staat als tijdsdomeinmultiplexing.

Wachten…

De methode brengt echter een veronderstelde afweging met zich mee. Als qubits moeten ‘wachten’ op hun beurt om signalen te ontvangen, kunnen berekeningen langer duren. Om te onderzoeken hoe significant deze vertraging werkelijk is, testten de onderzoekers hoe verschillende soorten kwantumprocessoren worden beïnvloed wanneer het aantal besturingskabels wordt verminderd. De resultaten waren verrassend positief.

Marvin Richter, PhD-student: “We zien dat voor veel gangbare kwantumalgoritmen het aantal kabels drastisch kan worden verminderd zonder dat de berekeningen significant trager worden of de looptijd veel toeneemt. In sommige gevallen, zoals bij de poorten die twee qubits verbinden, kun je zelfs kabels delen zonder extra tijdverlies, alleen beperkt door de manier waarop de qubits met elkaar verbonden zijn.”

De computersimulaties en wiskundige analyses van de Chalmers-onderzoekers zijn de meest uitgebreide die tot nu toe op dit gebied zijn uitgevoerd. Een bijzonder belangrijke conclusie uit de resultaten is dat de rekentijd logaritmisch toeneemt, en niet lineair, wanneer individuele qubits kabels delen.

“Dat is een langzamere toename dan eerder werd gevreesd”, zegt Simone Gasparinetti, universitair hoofddocent kwantumtechnologie. “Het toestaan ​​dat meerdere qubits kabels delen, zou een belangrijke stap kunnen zijn richting grootschalige kwantumcomputers. Deze resultaten geven ons nog meer motivatie om de benodigde snelle, energiezuinige microgolfschakelaars te ontwikkelen om deze methode te implementeren.”