Sự phụ thuộc của kiến ​​trúc vào phần cứng

Loại phần cứng được sử dụng để thực hiện các khối xây dựng (như qubit, mạch, kênh truyền thông, RAM lượng tử, v.v.) phải đóng vai trò bao nhiêu khi thiết kế kiến ​​trúc cho máy tính lượng tử quy mô đầy đủ?

Suy nghĩ của riêng tôi về vấn đề này: Kiến trúc không nên phụ thuộc vào cách thức nhận ra phần cứng. Bởi vì nếu có, thì mỗi khi ai đó nghĩ ra một thiết kế mới cho phần cứng, nó sẽ đòi hỏi phải suy nghĩ lại về kiến ​​trúc - một ý tưởng không tồi nếu bạn đang muốn cải thiện kiến ​​trúc của mình nhưng việc suy nghĩ lại nên xuất phát từ mong muốn cải thiện máy tính nói chung và không chỉ đơn giản chứa một số triển khai RAM mới.

Đó là một thế giới không lý tưởng và nói tóm lại, kiến trúc của máy tính lượng tử phụ thuộc rất nhiều vào "phần cứng" được sử dụng . Hiện tại có một số "mô hình" để thực hiện vật lý các máy tính lượng tử và tất cả chúng đều yêu cầu kiến ​​trúc khác biệt đáng kể. Ví dụ, máy tính lượng tử siêu dẫn phải được giữ ở nhiệt độ gần bằng không. Trong các máy tính lượng tử ion bị bẫy, có các tia laser được áp dụng để tạo ra sự ghép nối giữa các trạng thái qubit. Đối với máy tính lượng tử quang, bạn cần các phần tử quang tuyến tính (bao gồm bộ tách chùm, bộ dịch pha và gương) để xử lý thông tin lượng tử, máy dò photon và bộ nhớ lượng tử để phát hiện và lưu trữ thông tin lượng tử.

Đây là danh sách các kiến ​​trúc phổ biến, như đã nêu trên Wikipedia :

• Điện toán lượng tử siêu dẫn (qubit được thực hiện bởi trạng thái của các mạch siêu dẫn nhỏ (các mối nối Josephson))
• Máy tính lượng tử ion bị bẫy (qubit được thực hiện bởi trạng thái bên trong của các ion bị bẫy)
• Mạng quang (qubit được thực hiện bởi trạng thái bên trong của các nguyên tử trung tính bị mắc kẹt trong mạng quang)
• Máy tính chấm lượng tử, dựa trên spin (ví dụ máy tính lượng tử Loss-DiVincenzo) (qubit được đưa ra bởi trạng thái spin của các electron bị bẫy)
• Máy tính chấm lượng tử, dựa trên không gian (qubit được cho bởi vị trí electron trong chấm lượng tử kép)
• Cộng hưởng từ hạt nhân trên các phân tử trong dung dịch (NMR ở trạng thái lỏng) (qubit được cung cấp bởi các spin hạt nhân trong phân tử hòa tan)
• Máy tính lượng tử NMR Kane trạng thái rắn (qubit nhận ra bởi trạng thái spin hạt nhân của các nhà tài trợ phốt pho trong silicon)
• Máy tính lượng tử electron-on-helium (qubit là spin electron)
• Điện động lực học lượng tử khoang (CQED) (qubit được cung cấp bởi trạng thái bên trong của các nguyên tử bị bẫy kết hợp với các hốc có độ mịn cao)
• Nam châm phân tử (qubit cho bởi trạng thái quay)
• Máy tính lượng tử ESR dựa trên Fullerene (qubit dựa trên spin điện tử của các nguyên tử hoặc phân tử được bọc trong fullerene)
• Máy tính lượng tử quang tuyến tính (các qubit được thực hiện bằng cách xử lý các trạng thái của các chế độ ánh sáng khác nhau thông qua các phần tử tuyến tính, ví dụ như gương, bộ tách chùm và bộ dịch pha)
• Máy tính lượng tử dựa trên kim cương (qubit được thực hiện bằng spin điện tử hoặc hạt nhân của các trung tâm trống nitơ trong kim cương)
• Máy tính lượng tử dựa trên ngưng tụ Bose mật Einstein
• Máy tính lượng tử dựa trên bóng bán dẫn - máy tính lượng tử chuỗi có các lỗ tích cực sử dụng bẫy tĩnh điện
• Máy tính lượng tử dựa trên tinh thể vô cơ pha tạp kim loại đất hiếm (qubit nhận ra bởi trạng thái điện tử bên trong của các chất dẫn xuất trong sợi quang)
• Máy tính lượng tử carbon giống như kim loại dựa trên máy tính lượng tử.

Ở trạng thái hiện tại của nghệ thuật, khá một chút. Như được chỉ ra bởi câu trả lời khác , các kiến ​​trúc khác nhau thực hiện các qubit trong các chất nền vật lý khác nhau, dẫn đến các kỹ thuật hoàn toàn khác nhau để tạo ra, phát triển, tương tác và đo lường các qubit. Hơn nữa, các hoạt động khác nhau dễ dàng hơn trong một số kiến ​​trúc so với những người khác.

Để có được một cái gì đó tương tự như cách chúng ta thường lập trình máy tính cổ điển, người ta cần một loại đường dẫn biên dịch , ánh xạ một tính toán nhất định, được thể hiện bằng ngôn ngữ cấp cao trừu tượng, xuống các chi tiết phần cứng cụ thể của một kiến ​​trúc nhất định. Đây vẫn là một công việc đang tiến triển, nhưng có những người làm việc theo hướng này. Một công việc có liên quan đến tâm trí là 1604.01401 . Đây là đường ống được đề xuất trong bài viết này:

Về lý thuyết, việc có các bộ phần mềm thực hiện một đường ống như vậy sẽ cho phép viết mã trừu tượng và tự động biên dịch để hoạt động trên các chip siêu dẫn cũng như các máy tính lượng tử bẫy quang hoặc ion.

Trong thực tế, có rất nhiều thứ vẫn phải giải quyết (trước hết là làm thế nào để thực sự tạo ra các máy tính lượng tử có thể mở rộng) mà khó có thể nói sơ đồ đó sẽ hoạt động như thế nào.