Origin Wukong osoitti koherentin kvanttireitityksen QRAM:lle

Kvanttista satunnaismuistia eli QRAM:ia pidetään mahdollisena keinona hakea dataa kvanttialgoritmeille koherentisti: muistiosoite voi olla kvanttitilojen superpositiossa, ja haun pitää säilyttää tämä ominaisuus. Vaikein osa on reititysverkko, jonka on ohjattava kvanttitila oikealle polulle rikkomatta sitä.

Origin Quantumin, Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston sekä yhteistyökumppaneiden kokeessa tämä reitityksen perusosa toteutettiin Hefeissä sijaitsevalla suprajohtavalla Origin Wukong -suorittimella. Kvantti-informaatiota ohjattiin fyysisessä, osoitteen määräämässä bucket-brigade-verkossa koherentisti – ei vain klassisesti ohjattuna simulaationa.19

Mitä kokeessa saavutettiin?

Tutkijat esittelivät koherentin, deterministisen ja palautuvan kvanttireitittimen bucket-brigade-QRAM-arkkitehtuuria varten. Kolme erikseen kalibroitua reititintä yhdistettiin kaksitasoiseksi binääripuuksi: ensimmäisen tason reititin ohjasi tilan jommallekummalle kahdesta toisen tason reitittimestä.19

Tämä on olennainen yksityiskohta. Kaksitasoinen rakenne on pienin verkko, jossa nähdään aidosti haarautuva, ketjutettu reititys eikä vain yhden komponentin toiminta.19

Mittaustulokset: siirtyminen ja tarkkuus ovat eri asioita

Tuloksissa on syytä erottaa kaksi mittaria:

• tiedonsiirtotehokkuus kertoo, päätyykö tieto syötteestä ulostuloon;
• satunnaishaun uskollisuus kertoo, kuinka tarkasti haluttu kvanttitila palautuu.

Kokoonpano	Tiedonsiirtotehokkuus	Satunnaishaun uskollisuus
Yksittäinen reititin	enintään 98 %	95,74 % yksittäisessä satunnaishaun testissä; muissa raportoinneissa keskimäärin noin 94,8 % 17
Kaksitasoinen ketjutettu verkko	noin 93 %	keskimäärin 82,4 % 17

Ero lukujen välillä kuvaa skaalaamisen ydinhaastetta. Kvanttitieto kulki myös kaksitasoisen verkon läpi korkealla tehokkuudella, mutta useiden ohjattujen reititystoimintojen ketjuttaminen heikensi tilan palautuksen uskollisuutta.1

Reititin hyödyntää transmonin kolmatta energiatilaa

Suprajohtavissa kvanttipiireissä transmonia käsitellään tavallisesti kaksitasoisena kubittina. Tässä työssä hyödynnettiin myös apuna toimivaa energiatilaa, joten reititin käyttäytyy käytännössä kolmitasoisena qutrittina. Mikroaaltopulsseilla toteutetaan ehdolliset vuorovaikutukset, jotka lähettävät saapuvan kvanttitilan toiselle kahdesta mahdollisesta reitistä.1

Tutkijoiden käyttämän transition-composite-gate-lähestymistavan tavoitteena on välttää pitkää hajotelmaa tavallisiksi yhden ja kahden kubitin porteiksi. Tämä on tärkeää, sillä jokainen lisäportti kasvattaa ohjausvirheiden riskiä ja antaa dekoherenssille lisää aikaa heikentää kvanttitilaa.1

Virheitä suodatetaan käyttämättömällä välitasolla

Osoitetieto koodattiin qutritin ei-vierekkäisiin tiloihin |0⟩ ja |2⟩. Väliin jäävä |1⟩-tila toimii eräänlaisena virhelippuna: siihen päätyminen voi paljastaa tiettyjä vuoto- tai ohjausvirheitä. Tällaiset mittauskerrat voidaan hylätä jälkivalinnalla.1

Menetelmä voi parantaa hyväksyttyjen tulosten laatua ilman suurta määrää erillisiä virheenkorjauskubitteja. Se ei kuitenkaan ole determinististä virheenkorjausta. Hylätyt ajot pienentävät käyttökelpoisten tulosten osuutta, joten jälkivalinta ei korvaa laajamittaiseen kvanttilaskentaan tarvittavaa vikasietoista virheenkorjausta.1

Neljän tai kahdeksan tason verkko olisi paljon vaikeampi

Siirtyminen kahdesta reititystasosta neljään tai kahdeksaan ei tarkoita vain saman piirin kopioimista. Bucket-brigade-arkkitehtuuri on binääripuu: syvyydellä d se tarvitsee suunnilleen 2^d muistipäätettä ja 2^d − 1 reitityssolmua. Alkuperäisessä ehdotuksessa puun solmut ovat qutritteja.

Suurempi rakenne vaatisi siksi enemmän kuin lisää komponentteja. Tarvitaan luotettavaa kalibrointia suurelle reititinmäärälle, tarkoituksenmukaisia kytkentöjä sirulla, tarkasti synkronoituja mikroaaltopulsseja, häiriökytkentöjen ja vuotojen hallintaa sekä koherenssin säilyttämistä pidemmillä reiteillä. Jokainen lisätaso myös kasaa epätäydellisten reititystoimintojen virheitä – ilmiö näkyy jo yhden reitittimen ja kaksitasoisen verkon uskollisuuksien erossa.1

Arkkitehtuuriin liittyy lisäksi resurssikompromissi. Bucket-brigade-QRAM:n kyselyaika kasvaa logaritmisesti, mutta N muistisolun järjestelmä tarvitsee silti O(N)-luokan määrän tilaresursseja. Hyvin suuri QRAM olisi siis laitteistollisesti raskas.

Merkittävä reititysvaihe, ei kaupallinen kvanttimuisti

Origin Wukongin tulos kannattaa nähdä laitteistotason osoituksena koherentista, palautuvasta ja kvanttiosoitteen ohjaamasta datan liikuttamisesta. Se näyttää, että itsenäisesti rakennettuja reitittimiä voidaan ketjuttaa todelliseksi haarautuvaksi verkoksi, joka on bucket-brigade-QRAM:n keskeinen edellytys.19

Koe ei tarkoita, että suuri käytännöllinen QRAM olisi valmis käyttöönotettavaksi. Siihen tarvittaisiin huomattavasti enemmän laitteistoa, paljon pienempi kertynyt virhe, skaalautuva ohjaus ja luku sekä vikasietoisuus. Tulos on silti vahva kokeellinen askel kvanttimuistin reitityksen suuntaan – ja samalla konkreettinen muistutus jäljellä olevan suunnittelutyön mittakaavasta.1