Origin Wukong visar sammanhängande kvantdirigering för QRAM

Kvantminne med direktåtkomst, QRAM (quantum random-access memory), är en tänkbar metod för att låta kvantalgoritmer hämta data utan att förstöra kvanttillståndet. Den stora utmaningen är själva vägvalet: en kvantadress måste kunna styra information genom ett nätverk utan att den sammanhängande kvantinformationen går förlorad.

Forskare från Origin Quantum, University of Science and Technology of China och samarbetspartner har nu visat just en sådan byggsten på den supraledande processorn Origin Wukong i Hefei. Kvantinformation dirigerades sammanhängande genom ett fysiskt, adressstyrt nätverk enligt bucket-brigade-modellen för QRAM.19

Det här visade experimentet

Resultatet är en sammanhängande, deterministisk och reversibel kvantrouter. Det handlar alltså inte om att efterlikna ett vägval med klassisk styrning, utan om routerelement i hårdvaran som leder ett kvanttillstånd efter en kvantadress.1

Tre var för sig kalibrerade routrar kopplades samman till ett binärt träd med två nivåer: en router på första nivån skickade tillståndet vidare till en av två routrar på nästa nivå. Det är den minsta struktur som faktiskt demonstrerar förgrening i ett seriekopplat routingnät.19

Resultaten: överföring är inte samma sak som trohet

Forskarna skiljer på överföringseffektivitet – om informationen når utgången – och slumpmässig åtkomst-trohet, alltså hur korrekt det önskade kvanttillståndet återskapas.

Konfiguration	Överföringseffektivitet	Trohet vid slumpmässig åtkomst
Enskild router	Upp till 98 %	95,74 % i ett åtkomsttest; annan rapportering anger omkring 94,8 % i genomsnitt17
Seriekopplat nät med två nivåer	Cirka 93 %	82,4 % i genomsnitt17

Skillnaden mellan en router och två nivåer visar den centrala skalningsutmaningen. Informationen kunde fortfarande transporteras med hög effektivitet, men troheten sjönk när tillståndet behövde passera flera styrda routingoperationer. Felen ackumuleras.1

Så fungerar routern på den supraledande processorn

I vanliga supraledande kretsar används en transmon oftast som en tvånivåkvantbit. Här utnyttjas även en extra energinivå, så att komponenten i praktiken fungerar som en qutrit, ett tre-nivåsystem. Med mikrovågspulser skapas de villkorade växelverkningar som skickar ett inkommande kvanttillstånd längs en av två möjliga vägar.1

Forskarna använder en metod med sammansatta övergångsgrindar i stället för att bygga routern av en lång följd av vanliga en- och tvåkvantbitsgrindar. Det är viktigt eftersom djupare kvantkretsar både samlar fler styrfel och ger dekoherens mer tid att skada tillståndet.1

Mellannivån kan avslöja vissa fel

Adressinformationen kodas i qutritens icke-angränsande tillstånd |0⟩ och |2⟩. Det outnyttjade mellanliggande tillståndet |1⟩ kan då fungera som en felsignal för vissa läckage- och styrfel. Körningar där signalen syns kan sorteras bort genom efterurval (post-selection).1

Detta är en form av felbegränsning som kan höja kvaliteten på de accepterade resultaten utan många extra kvantbitar för felkorrigering. Men det är inte deterministisk felkorrigering: när felmarkerade körningar kastas minskar också den användbara sannolikheten för ett lyckat resultat. Efterurval kan därför inte ersätta feltolerant kvantfelkorrigering i stor skala.1

Varför vägen till större QRAM fortfarande är lång

Att gå från två routingnivåer till fyra eller åtta innebär inte bara att upprepa samma krets. Bucket-brigade-arkitekturen är ett binärt träd: vid djupet d behövs ungefär 2^d minnesändpunkter och 2^d − 1 routingnoder. I den ursprungliga modellen används qutriter i trädets noder.

Ett större träd kräver därför inte bara fler komponenter, utan också tillförlitlig kalibrering av många routrar, lämplig anslutningsstruktur på chippet, exakt synkroniserade mikrovågspulser samt kontroll av överhörning och läckage. Samtidigt måste koherensen bevaras längs längre vägar. Varje extra nivå förstärker effekten av små routingfel – något som redan syns i skillnaden mellan resultaten för en router och två nivåer.1

Arkitekturen har också en tydlig avvägning: bucket-brigade-QRAM kan ge logaritmisk frågetid, men kräver fortfarande O(N) utrymme för N minnesceller. Mycket stora system blir alltså hårdvarukrävande.

En routingmilstolpe – inte ett färdigt kvantminne

Experimentet med Origin Wukong bör ses som en systemdemonstration av sammanhängande, reversibel och adressstyrd kvantdatatransport på supraledande hårdvara. Att självständigt byggda routrar har kunnat kaskadkopplas till ett verkligt förgrenat nät är ett viktigt krav för bucket-brigade-QRAM.19

Det visar däremot inte att ett stort och praktiskt QRAM är nära kommersiell användning. Dit återstår mycket mer hårdvara, betydligt lägre ackumulerade fel, skalbar styrning och avläsning samt feltolerans. Resultatet är ett tydligt experimentellt framsteg för kvantminnesdirigering – och samtidigt en påminnelse om hur stort ingenjörsarbetet som återstår är.1