Kvantna memorija sa slučajnim pristupom omogućava jednom procesoru da bira između sedam memorijskih ćelija

Klasični računari mogu privremeno da skladište informacije potrebne za obavljanje određenih zadataka u kratkoročnoj memorijskoj komponenti poznatoj kao RAM (memorija sa slučajnim pristupom). Ova komponenta omogućava kompjuterskim procesorima da preuzmu informacije sa izabrane lokacije bez pretraživanja svih sačuvanih podataka.

Međutim, većina sadašnjih kvantnih računara zasnovanih na superprovodnicima nema posebnu komponentu nalik RAM-u. To je zato što, dok su kod klasičnih računara procesori i memorijske komponente odvojeni, većina superprovodnih kvantnih računara koristi isti hardver za skladištenje i za procesuiranje informacija.

Preporučujemo

Istraživači sa Stenfordskog univerziteta, Univerziteta Čikaga, iz laboratorije SLAC i drugih institucija dizajnirali su novi uređaj koji bi mogao služiti kao kvantna memorija sa slučajnim pristupom. Njihov uređaj bi mogao utrti put kvantnim računarima sa odvojenim memorijskim komponentama i manje veza koje prenose signale.

„U kvantnim računarima, svaki kubit je procesorski bit, i svakom su potrebni sopstvena mikrotalasna elektronika i žice koje idu u već prenatrpan hladnjak“, kažu istraživači. „Ako svaki dodatni kubit zahteva još jedan skup kontrolnog hardvera, proširenje prestaje da bude fizički problem i postaje inženjerski problem“.

Da bi superprovodnim kvantnim računarima obezbedili kompaktne memorijske komponente, naučnici dugo rade na razvoju mikrotalasnih šupljina koje istovremeno podržavaju više režima. U ovom kontekstu, režimi su obrasci u kojima mikrotalasna energija može da oscilira unutar šupljine, a svaki režim bi mogao da služi kao posebno mesto za skladištenje podataka.

„Zamislite metalnu kutiju u kojoj mnogo različitih tonova može istovremeno da zvuči, a svaki može da sadrži informacije kao jedan kubit i to dugotrajno“, objašnjavaju istraživači. „Očigledna ideja je da se svaki ton iskoristi za predstavljanje različitog kubita memorije. Problem je kontrola: da biste izvršili upisivanje, morate ih povezati sa superprovodnim kubitom zvanim transmon, koji stvara interakcije između objekata koje povezuje. To je ono što ga čini dobrim u računanju, ali i ono što narušava delikatna stanja koja pokušavate da sačuvate“.

Da bi rešili ovaj problem, istraživači su smislili uvođenje bafera između kvantnog procesora i memorije, umesto direktnog povezivanja. Uređaj koji su dizajnirali ima četiri ključne komponente: transmon, višerežimsku aluminijumsku šupljinu, bafersku šupljinu i podesivu spojnicu za transfer kvantnih stanja između bafera i izabrane memorijske ćelije.

Ključni element je bafer, koji je postavljen između transmona i šupljine. Bafer drži transmon sa snažnom interakcijom odvojen od sloja za skladištenje na bazi šupljine, pomažući memoriji da očuva svoju koherenciju. „Brzo procesuiranje uvodi parazitske interakcije koje mogu da pokvare spregnute memorije. U našem dizajnu, bafer ih efikasno štiti i tako izvlači najbolje iz procesora i iz memorija“, kažu autori.

Napravljen je prototip uređaja i zatim je ocenjen njegov učinak. Iznova je pristupano memorijskim ćelijama više hiljada puta uz primenu nasumičnih operacija i mereno je kako se greške akumuliraju. Svaka pristupna operacija uvodila je prosečnu grešku od oko 1,2% po memorijskom režimu. Dalja ispitivanja su pokazala da su neželjene interakcije između režima glavni izvor greške, što ukazuje kako bi dizajn mogao da se poboljša.

„Skaliranje postaje mnogo praktičnije kad jedan procesor može da služi brojnim uskladištenim kvantnim stanjima. Naš eksperiment pokazuje kako doći do banke kvantnih memorija na zahtev, otvarajući put ka više logičkih kubita bez istog rasta kontrolnog hardvera“, kažu istraživači.

Ova studija demonstrira da je ostvarenje kvantnog ekvivalenta za RAM moguće. Napravljeni uređaj bi mogao omogućiti budućim kvantnim kompjuterima da skladište više informacija bez potrebe za posebnim skupom kontrolnih žica za svaku memorijsku ćeliju.

„Naš uređaj ima sedam memorijskih ćelija, od kojih svaka može da se pozove po potrebi preko jednog transmona. Individualne razmene funkcionišu sa verodostojnošću od oko 99,3%, a pun ciklus čitaj–obradi–piši nosi otprilike 1,2% greške po ćeliji koja se koristi. To je dovoljno dobro da bi, kad bi memorija bila jedini izvor greške, postojeće tehnike za korekciju grešaka mogle da drže korak“, kažu autori. „Arhitektura sa dovoljno dobrom memorijom mogla bi dostići isti logički kapacitet sa mnogo puta manjim brojem kontrolnih linija i sa boljom povezanošću“.

U budućnosti bi se uređaj mogao poboljšati i upariti sa kvantnom korekcijom grešaka radi zaštite uskladištenih informacija. Ovaj rad bi mogao doprineti razvoju novih kvantnih računara koji mogu pouzdanije da skladište informacije.

U klasičnim kompjuterima se više od 99% tranzistora koristi za memoriju, a ne za logiku, dok sadašnji superprovodni procesori nemaju predstavu o memoriji. Specijalizacija memorije i procesuiranja mogla bi ih učiniti boljim i jeftinijim, tako da preuzimaju kvantne informacije tačno kad je računaru potrebno, nadaju se istraživači. Već su identifikovali potencijalne izvore greške u svom sistemu. Uvid koji su stekli mogao bi da usmeri razvoj budućih verzija koje pouzdanije čuvaju informacije, čak i kad se doda više memorijskih ćelija.

Na osnovu početnih nalaza, istražuju kako da svoj uređaj kombinuju sa tehnikama kvantne korekcije grešaka.„Razlog da se uopšte gradi memorija jeste korekcija grešaka. Sad istražujemo kako ovaj tip memorije može da se kombinuje sa algoritmima kvantne ispravke grešaka u cilju unapređenja i memorije i kvantnog procesuiranja“, kažu autori.

(Telegraf Nauka/Phys.org)