Ny forskning: Kvantbitar som delar på en och samma kabel

Kvantdatorers beräkningskraft bygger på kvantbitar, som till skillnad från klassiska bitar kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt. Dagens system omfattar drygt 100 kvantbitar, men för praktiska tillämpningar krävs tusentals – något som medför betydande utmaningar.

En central utmaning är kabeldragningen. I dagens arkitekturer kräver varje kvantbit en egen kabel för styrsignaler, vilket tar upp både plats och tillför värme. Detta begränsar hur stora systemen kan bli.

– Eftersom varje kvantbit idag kräver en egen kabel finns det en gräns för hur många kvantbitar ett system kan innehålla innan temperaturen blir för hög och kvantdatorn slutar fungera. Dessutom finns det fysiska begränsningar eftersom kablarna tar upp utrymme i kryostaten, säger Ingrid Strandberg, forskningsspecialist i kvantteknologi vid Chalmers, på Chalmers hemsida.

Chalmersforskarna har nu undersökt så kallad tidsdomänmultiplexering. I stället för att styra varje kvantbit var för sig med en kabel så styr man dem i tur och ordning, i snabb följd, med färre kablar. För att dirigera signalerna har forskarna använt mikrovågsbrytare så att rätt kvantbit får signalen vid rätt tidpunkt. 

Denna metod skulle dock kunna innebära att kvantbitarna behöver ”vänta på sin tur” för att ta emot signaler, vilket följaktligen skulle leda till en tidsfördröjning. För att ta reda på hur stor fördröjningen faktiskt blir har forskarna testat olika typer av kvantprocessorer. Resultatet blev över förväntan.

Enligt studien kan antalet kablar reduceras kraftigt utan att beräkningstiden ökar i någon större utsträckning. För vissa operationer, såsom tvåkvantbitsgrindar, kan kabeldelning ske utan någon extra tidskostnad alls – upp till en gräns som bestäms av systemets kopplingar.

Forskarna visar även att den ökade beräkningstiden sker logaritmiskt snarare än linjärt när flera kvantbitar delar på samma kablar. Det innebär att prestandapåverkan blir betydligt mindre än tidigare befarat.

Resultaten baseras på omfattande simuleringar av kvantprocessorer med upp till 1 000 kvantbitar. Studien, som är publicerad i PRX Quantum, pekar på att kabeldelning kan bli en viktig komponent i att skala upp framtidens kvantdatorer.

Forskningen har genomförts inom ramen för Wallenberg Centre for Quantum Technology och finansierats av bland andra EU:s forskningsprogram Horisont Europa och Europeiska forskningsrådet, uppger Chalmers.