По мере того как квантовые вычисления развиваются от теоретических концепций к практической реализации, исследователи все больше внимания уделяют модульным конструкциям для преодоления фундаментальных проблем масштабирования, которые ограничивают возможности квантовых компьютеров. Недавние достижения как в области сверхпроводящих, так и в области фотонных архитектур квантовых вычислений демонстрируют, как модульность — подход к построению систем из стандартизированных взаимосвязанных компонентов — может обеспечить важнейший путь к отказоустойчивым квантовым компьютерам, обладающим достаточной мощностью для реализации преобразующих возможностей этой технологии.
Необходимость масштабирования в квантовых вычислениях
Фундаментальной проблемой квантовых вычислений всегда было поддержание квантовой согласованности при масштабировании до более крупных систем. По мере роста квантовых систем их моделирование становится экспоненциально сложнее и они становятся все более уязвимыми к ошибкам, вызванным взаимодействиями с окружающей средой. Традиционные подходы к масштабированию квантовых компьютеров обычно включают в себя попытку разместить большее количество кубитов на одном чипе или подложке, но этот подход сталкивается со значительными физическими ограничениями.
Модульность решает эти проблемы, разбивая квантовые компьютеры на более мелкие, более управляемые блоки, которые можно независимо оптимизировать, тестировать и подключать через четко определенные интерфейсы. Этот подход отражает эволюцию классических вычислений, которая развивалась от монолитных мэйнфреймов к распределенным сетевым системам.
Модульные квантовые вычисления представляют собой прагматичный подход к масштабированию", - объясняет доктор Хаосюн Ян, соавтор новаторского исследования в области подключения сверхпроводящих кубитов. Вместо того, чтобы бороться с фундаментальными ограничениями одного устройства, мы используем распределенную архитектуру, которая потенциально может расти без ограничений.
Прорыв: Реконфигурируемый квантовый маршрутизатор
Одно из самых значительных достижений в области модульных квантовых вычислений за последнее время произошло в ноябре 2024 года, когда исследователи опубликовали свою работу о "Модульном квантовом процессоре с универсальным реконфигурируемым маршрутизатором" в Physical Review X. Эта реализация сверхпроводящих кубитов преодолевает одно из самых стойких ограничений в квантовом оборудовании: ограниченную связь между кубитами.
Традиционные архитектуры сверхпроводящих кубитов обычно ограничивают взаимодействие с ближайшими соседями на плоской поверхности. Однако новая архитектура, ориентированная на маршрутизатор, позволяет любой паре кубитов подключаться по требованию с высокой точностью. Исследователи реализовали эту конструкцию в четырехузловом квантовом процессоре, построенном с использованием модульного подхода, включающего в себя проводящую подложку, соединенную с двумя отдельными подложками, несущими кубиты.
Технические достижения впечатляют: они продемонстрировали реконфигурируемые управляемые Z-вентили для всех пар кубитов со средней точностью 97,2% и наилучшей точностью 98,8%. Они также генерировали многоквадратную запутанность, распределенную по отдельным модулям, создавая состояния ГГЦ-3 и ГГЦ-4 с точностью 95,7% и 92,9% соответственно.
Эта архитектура маршрутизатора особенно перспективна для реализации квантовых алгоритмов и схем исправления ошибок, которые выигрывают от улучшенной связи с кубитами. Как отмечают авторы статьи, дизайн "может быть расширен для объединения нескольких кластеров, подключенных к маршрутизаторам, с использованием архитектуры, аналогичной классическим суперкомпьютерам".
Aurora: Модульный фотонный квантовый компьютер
Параллельно с достижениями в области сверхпроводящих кубитов исследователи добились заметного прогресса в фотонных квантовых вычислениях благодаря модульному подходу. В январе 2025 года ученые представили "Аврору" - масштабную модель фотонного квантового компьютера, состоящего из 35 фотонных чипов, объединенных в сеть волоконно-оптическими соединениями.
Несмотря на то, что Aurora еще не обладает отказоустойчивостью, она демонстрирует возможности модульной архитектуры фотонных квантовых вычислений. Система объединяет 84 устройства сжатия и 36 детекторов, определяющих число фотонов, для обеспечения 12 физических режимов работы кубитов в каждом такте. Наиболее впечатляющим было то, что исследователи использовали Aurora для синтеза кластерного состояния, распределенного по отдельным чипам с 86,4 миллиардами режимов, и продемонстрировали его способность реализовывать многослойный код повторения на расстоянии 2 с декодированием в реальном времени.
Архитектура Aurora состоит из трех отдельных этапов, каждый из которых реализован на различных чипах фотонной интегральной схемы (PIC):
1. Устройства выборки гауссовых бозонов (GBS), которые подготавливают исходные негауссовы состояния
2. Адаптивные интерферометрические деревья с гомодинными детекторами (называемые "очистными сооружениями"), которые улучшают качество негауссовых состояний и объединяют их в двухмодовые GKP-белловские пары
3. Массив ячеек квантового процессора (QPU), которые выбирают белловские пары наилучшего качества, объединяют их в пространственно-временное кластерное состояние и реализуют вентили путем выполнения гомодинных измерений
Вся система размещается в четырех стандартных серверных стойках, в которых размещены полностью укомплектованные модули, работающие при комнатной температуре, и только система обнаружения с разрешением по числу фотонов требует криогенного охлаждения.
Технические достижения и ориентиры
Модульный подход позволяет квантовым системам достигать таких показателей, которые были бы трудны или невозможны в монолитных конструкциях. Например, исследователи Aurora в течение двух часов непрерывно собирали данные, представляющие собой синтез и измерение состояния кластера макроузлов, состоящего из 86,4 миллиарда мод, или 7,2 миллиарда временных мод.
Несмотря на высокие оптические потери, составляющие около 14 дБ, от синтеза сжатых состояний до их окончательного обнаружения в QPU, система поддерживала запутанность за счет того, что исследователи называют "нулевыми отклонениями", постоянно ниже уровня вакуумного шума. Это демонстрирует устойчивость модульного подхода даже в неоптимальных условиях.
Архитектура сверхпроводящего маршрутизатора также продемонстрировала устойчивость, обеспечивая высокую точность квантовых операций, несмотря на сложность координации операций между физически отдельными модулями. Квантовый маршрутизатор может подключать и отключать любую пару узлов по требованию всего за несколько наносекунд, в то время как другие узлы работают без помех.
Проблемы и ограничения
Несмотря на то, что эти достижения являются многообещающими, остаются серьезные проблемы, прежде чем модульные квантовые компьютеры смогут достичь отказоустойчивости. Для фотонного подхода основным препятствием являются оптические потери. Полярное сияние показало потери около 56% для сигнальных путей и чуть более 95% для сигнальных оптических путей.
Несмотря на то, что для перехода модулей, ответственных за синтез и обработку кубитов, от прототипов к массовому производству необходимы усовершенствования, наши результаты показывают, что современный технологический уровень производства фотонных чипов, классической управляющей электроники и волоконно-оптических сетей делает выполнимой задачу модульного создания и масштабирования реалистичной фотонной архитектуры для защиты от сбоев устойчивых квантовых вычислений, - отмечает команда Aurora.
При разработке сверхпроводниковых решений проблемы включают поддержание квантовой согласованности на интерфейсах между модулями и управление сложностью управляющей электроники, необходимой для координации операций между физически разделенными компонентами.
Перспективы модульных квантовых вычислений
Модульный подход, по всей видимости, будет играть все более важную роль в разработке практических квантовых компьютеров. Как фотонные, так и сверхпроводящие решения демонстрируют многообещающие возможности масштабирования, выходящие за рамки существующих ограничений.
Что касается архитектуры, ориентированной на маршрутизаторы, исследователи предполагают расширить этот подход для создания более крупных сетей маршрутизаторов, потенциально связывающих сотни или тысячи кубитов между несколькими физическими модулями. Это могло бы позволить исследовать "многоквадратные квантовые логические элементы, а также сложную многочастичную квантовую динамику".
Фотонный подход также открывает широкие возможности для масштабирования за счет создания дополнительных модулей и улучшения сетевых возможностей. Система Aurora демонстрирует, что даже при использовании современных технологий возможно создавать функционально завершенные модульные системы, которые включают "все примитивные компоненты в виде дискретных масштабируемых модулей, размещаемых в стойках и объединенных в сеть по волоконно-оптическим соединениям".
Заключение
Достижения в области модульных квантовых вычислений, достигнутые за последние несколько месяцев, представляют собой значительный сдвиг в подходе исследователей к решению проблемы масштабирования. Вместо того, чтобы пытаться вместить больше кубитов в один чип — подход, который сталкивается с фундаментальными физическими ограничениями, — в этой области все чаще используются распределенные архитектуры, которые потенциально могут масштабироваться неограниченно.
Как архитектура сверхпроводящего маршрутизатора, так и модульный фотонный подход демонстрируют жизнеспособные пути развития квантовых вычислений. Хотя ни один из них еще не достиг отказоустойчивости, оба показывают, что модульные конструкции могут поддерживать квантовую когерентность и запутанность физически отдельных компонентов.
Поскольку квантовые вычисления продолжают развиваться, эти модульные подходы вполне могут оказаться ключом, раскрывающим преобразующий потенциал технологии. Используя модульность, исследователи находят способы решения наиболее сложных задач в этой области, что потенциально открывает путь к созданию квантовых компьютеров, достаточно мощных для решения задач, недоступных классическим вычислениям.