Origin Wukong viser sammenhengende kvante-ruting for QRAM

Kvante-RAM, ofte forkortet QRAM, er en foreslått måte for kvantealgoritmer å hente data på uten å ødelegge kvantetilstanden underveis. Den store tekniske utfordringen er å bygge et nettverk som kan velge en rute ut fra en kvanteadresse og samtidig bevare sammenhengen i tilstanden.

Forskere fra Origin Quantum, University of Science and Technology of China og samarbeidspartnere har nå demonstrert en slik byggestein på den superledende Origin Wukong-prosessoren i Hefei. Kvanteinformasjon ble rutet sammenhengende gjennom et fysisk, adressestyrt bucket-brigade-nettverk – ikke bare etterlignet med klassisk styring.19

Dette er demonstrert

Resultatet er en sammenhengende, deterministisk og reversibel kvante-ruter for bucket-brigade-modellen av QRAM. En kvantetilstand blir dirigert gjennom fysiske rutere ut fra en kvanteadresse, slik at rutevalget selv kan være en del av en kvanteberegning.1

Forskerne koblet sammen tre uavhengig kalibrerte rutere i et binært tre med to nivåer: Én ruter i første lag sender tilstanden videre til én av to rutere i andre lag. Dette er den minste konfigurasjonen som faktisk viser forgrening i en kaskadert rutingstruktur.19

Resultatene: effektivitet er ikke det samme som fidelitet

Målingene skiller mellom overføringseffektivitet – om informasjonen kommer fram til utgangen – og random-access-fidelitet, altså hvor godt den ønskede kvantetilstanden gjenskapes.

Konfigurasjon	Overføringseffektivitet	Random-access-fidelitet
Én ruter	Opptil 98 %	95,74 % i én random-access-test; annen omtale oppgir om lag 94,8 % i gjennomsnitt17
Totrinns kaskadert nettverk	Om lag 93 %	82,4 % i gjennomsnitt17

Tallene viser både framgang og begrensningen ved oppskalering. Informasjonen ble fortsatt overført med høy effektivitet gjennom to lag, men fideliteten falt når tilstanden måtte gjennom flere kontrollerte rutingoperasjoner. Det er et tidlig tegn på hvordan feil bygger seg opp i større nettverk.1

Slik bruker ruteren tre energinivåer

I superledende kvantekretser brukes en transmon ofte som en vanlig to-nivå-kvantbit. Her utnytter forskerne også et ekstra energinivå, slik at komponenten i praksis opptrer som en qutrit – et kvantesystem med tre nivåer. Mikrobølgepulser styrer de betingede vekselvirkningene som sender en innkommende tilstand inn på én av to mulige veier.1

Forskerne beskriver en metode med sammensatte overgangsporter, som skal slippe å bygge ruteren som en lang kjede av vanlige én- og to-kvantbitporter. Kortere kretser er viktig: Flere operasjoner gir både flere styringsfeil og mer tid for dekoherens, altså at kvantetilstanden mister den skjøre sammenhengen som beregningen avhenger av.1

Mellomnivået brukes til å avsløre enkelte feil

Adresseinformasjonen er kodet i de ikke-nærliggende qutrittilstandene |0⟩ og |2⟩. Det ubrukte mellomnivået |1⟩ kan dermed fungere som et feilsignal for visse typer lekkasje- eller kontrollfeil. Målinger der et slikt signal oppdages, kan forkastes ved postseleksjon.1

Dette er en form for feildemping som kan forbedre kvaliteten på de aksepterte målingene uten et stort ekstra apparat av feilkorrigeringskvantbiter. Men det er ikke deterministisk feilkorrigering: Når feilmerkede kjøringer forkastes, synker også andelen brukbare resultater. Postseleksjon kan derfor ikke erstatte feiltolerant kvantefeilkorrigering i stor skala.1

Hvorfor fire eller åtte lag blir langt vanskeligere

Å gå fra to til fire eller åtte rutinglag er ikke bare å gjenta den samme kretsen. Bucket-brigade-arkitekturen er et binært tre. Ved dybde d trengs det omtrent 2^d minneendepunkter og 2^d − 1 rutenoder. I den opprinnelige modellen er nodene qutriter.

Et større tre krever derfor ikke bare flere enheter, men også stabil kalibrering av mange rutere, egnet kobling på brikken, svært presist synkroniserte mikrobølgepulser og kontroll med krysstale, lekkasje og dekoherens langs lengre ruter. Hvert nytt lag legger dessuten flere ufullkomne rutingoperasjoner etter hverandre – akkurat den effekten forskjellen mellom én ruter og totrinnsnettverket allerede antyder.1

Det finnes også en grunnleggende maskinvareavveining. Bucket-brigade-QRAM forbindes med logaritmisk oppslagstid, men trenger fortsatt O(N) plass for N minneceller. Svært store varianter vil dermed være maskinvarekrevende.

Et rutinggjennombrudd – ikke et ferdig kvanteminne

Eksperimentet på Origin Wukong bør først og fremst forstås som en systemdemonstrasjon av sammenhengende, reversibel og kvanteadressestyrt flytting av kvanteinformasjon i superledende maskinvare. At uavhengig bygde rutere kunne settes sammen til et faktisk forgrenet nettverk, er en sentral forutsetning for bucket-brigade-QRAM.19

Det betyr ikke at et stort, praktisk QRAM er klart for kommersiell bruk. Det vil kreve langt mer maskinvare, betydelig lavere akkumulert feilrate, skalerbar kontroll og avlesning samt feiltoleranse. Resultatet er et viktig eksperimentelt steg mot ruting i kvanteminne – og samtidig en påminnelse om hvor omfattende ingeniørarbeidet som gjenstår er.1