Les ordinateurs quantiques (CQ) sont sur le point de générer des avancées importantes dans plusieurs domaines, y compris la médecine, science des matériaux et sécurité Internet. Alors que les systèmes de contrôle qualité actuels sont petits, plusieurs efforts industriels et universitaires sont en cours pour construire de grands systèmes avec plusieurs centaines de qubits.

Vers cela, des informaticiens de l'Université de Princeton et des physiciens de l'Université de Duke ont collaboré pour développer des méthodes permettant de concevoir la prochaine génération d'ordinateurs quantiques. Leur étude s'est concentrée sur les systèmes de contrôle qualité construits à l'aide de la technologie des ions piégés (TI), qui est l'une des technologies matérielles QC de pointe actuelles. En associant des techniques d'architecture informatique et des simulations de dispositifs, l'équipe a montré que la co-conception de matériel à court terme avec des applications peut potentiellement améliorer la fiabilité des systèmes TI jusqu'à quatre ordres de grandeur.

Leur étude a été menée dans le cadre du projet Software-Tailored Architecture for Quantum co-design (STAQ), un effort de recherche collaboratif financé par la NSF pour construire un ordinateur quantique à ions piégés et le projet NSF CISE Expedition in Computing Enabling Practical-Scale Quantum Computing (EPiQC). Il a été publié récemment dans le Symposium international ACM/IEEE 2020 sur l'architecture informatique.

Vers de plus grands ordinateurs quantiques à ions piégés

Les ions piégés (TI) sont l'un des principaux candidats pour la construction de qubits (bits quantiques). Dans un système TI, les qubits d'ions atomiques (comme un ion de calcium ou d'ytterbium) sont isolés et piégés dans un champ électrique. Pour stocker des informations quantiques, les états atomiques internes des ions sont utilisés pour représenter les états 0 et 1 qubit. En pulsant les ions à l'aide de lasers soigneusement réglés, ces systèmes peuvent effectuer des portes (instructions) sur ces informations, conduisant à des calculs qui peuvent s'exécuter beaucoup plus rapidement que sur un ordinateur "classique" standard. Des entreprises telles que IonQ, Honeywell, et Alpine Quantum Technologies, ainsi que des groupes universitaires comme le nôtre à Duke University, travaillent à construire des systèmes de contrôle qualité en utilisant un tel matériel. Les résultats publiés sur les chaînes d'ions uniques incluent le contrôle complet de 11 qubits à IonQ et des simulations quantiques sur 53 qubits à l'Université du Maryland.

Alors que les appareils TI actuels se sont révélés très prometteurs, des appareils plus grands avec 50 à 100 qubits sont nécessaires pour démontrer les avantages par rapport à l'informatique classique. Cependant, la plupart des appareils TI actuels ont un goulot d'étranglement d'évolutivité fondamental - ils sont basés sur une architecture monolithique à trappe unique, où tous les ions sont logés dans la même zone de piégeage. Dans cette architecture, Le contrôle des qubits et la mise en œuvre de la porte deviennent de plus en plus difficiles à mesure que davantage d'ions sont ajoutés au piège.

Reconnaissant ces difficultés, une architecture alternative évolutive, appelé Quantum Charged Coupled Device (QCCD) a été proposé dès 2002. Un système QCCD est composé d'un ensemble de pièges, contenant chacun un petit nombre d'ions, au lieu d'un seul grand piège.

Similaire aux architectures à trappe unique, les portes peuvent être réalisées sur un ou plusieurs ions qui sont co-localisés dans un piège. Pour permettre l'enchevêtrement entre les pièges, QCCD utilise la navette ionique pour communiquer les ions à travers le système. C'est-à-dire, lorsqu'une opération à deux qubits doit être effectuée sur une paire d'ions qui sont dans des pièges différents, l'un des ions est physiquement déplacé vers l'autre piège, co-localiser les ions avant l'exécution de la porte. Au cours des deux dernières décennies, toutes les opérations nécessaires à la construction de ces systèmes ont été développées et perfectionnées. Récemment, Honeywell a intégré ces composants pour créer le premier système QCCD à 4 qubits.

Concevoir la prochaine génération de systèmes QCCD

Pour construire la prochaine génération de systèmes QCCD avec 50 à 100 qubits, les concepteurs de matériel doivent faire face à une variété de choix de conception contradictoires. « Combien d'ions devrions-nous placer dans chaque piège ? Quelles topologies de communication fonctionnent bien pour les applications de contrôle qualité à court terme ? Quelles sont les meilleures méthodes pour mettre en œuvre des portes et des opérations de navette dans le matériel ? Ce sont des questions de conception clés auxquelles notre travail cherche à répondre, " dit Prakash Murali, un étudiant diplômé de l'Université de Princeton. Bien que des expériences individuelles aient été réalisées pour comprendre certains de ces choix, il n'y a pas d'études sur l'impact de ces choix sur les applications et leurs compromis en termes de performances et de fiabilité globales au niveau du système. Par ailleurs, les concepteurs de matériel doivent faire face à des portes non fiables et à d'autres limitations des systèmes à court terme et continuent de prendre en charge un mélange évolutif d'applications quantiques.

Pour étudier efficacement ces choix de conception, les chercheurs ont construit un flux d'outils de conception qui estime la fiabilité, le temps d'exécution et d'autres métriques pour un ensemble de programmes quantiques sur un dispositif QCCD spécifié. Ce flux d'outils se compose de deux parties. La première partie est un compilateur qui mappe le programme jusqu'aux opérations primitives qui seront disponibles sur les systèmes QCCD. Étant donné que la navette est sujette aux erreurs et prend du temps, le compilateur cherche à améliorer la fiabilité et les performances globales de l'application en minimisant la quantité totale de navettes. La deuxième partie est un simulateur QCCD qui utilise des modèles de performances et de bruit réalistes pour les systèmes QCCD, issus de travaux de caractérisation matérielle, pour estimer la qualité d'exécution d'une application. "Ensemble, ces composants nous permettent de caractériser automatiquement un grand espace de conception et de tester l'impact de l'architecture des dispositifs à travers les applications, " dit Murali.

En utilisant ce flux d'outils, ils ont identifié une zone idéale de 15 à 25 ions par piège qui fonctionnera probablement bien dans toutes les applications, offrant le meilleur compromis entre les erreurs de porte à des tailles de traps élevées et les erreurs de navette à de faibles tailles de traps. Globalement, ils ont montré que le réglage des attributs architecturaux du système, tels que le nombre d'ions dans un piège et la topologie, peut avoir un impact sur la fiabilité des exécutions des applications jusqu'à trois ordres de grandeur. Plus loin, l'optimisation des implémentations de portes de bas niveau et des méthodes de navette peut encore améliorer la fiabilité d'un autre ordre de grandeur. "En comprenant la manière dont ces différents choix interagissent, notre travail permet des systèmes QCCD qui peuvent effectuer des calculs utiles à court terme, avant que les ordinateurs quantiques soient assez grands pour devenir vraiment fiables, " a déclaré le chercheur Dripto Debroy, un étudiant diplômé à l'Université Duke.

L'architecture informatique et la conception basée sur la simulation ont été un catalyseur clé des progrès technologiques dans l'informatique classique. En tirant parti de ces techniques pour la conception CQ et en adoptant une vue système complète de l'espace de conception, plutôt que de se concentrer uniquement sur le matériel, cette étude vise à accélérer la progression vers le prochain jalon majeur de 50 à 100 qubits. Actuellement, les deux idées les plus prometteuses pour passer à des milliers d'ions sont les grands systèmes QCCD et les interconnexions photoniques entre les petits systèmes QCCD. Cette étude architecturale des dispositifs QCCD à court terme a le potentiel de guider la conception du matériel QC dans les deux directions futures.