Abhängigkeit der Architektur von der Hardware

Welche Rolle spielt die Art der Hardware, die zur Implementierung der Bausteine ​​verwendet wird (wie Qubits, Schaltkreise, Kommunikationskanäle, Quanten-RAM usw.), beim Entwurf der Architektur für einen Quantencomputer in Originalgröße?

Meine eigenen Gedanken dazu: Architektur sollte nicht von der Art und Weise abhängen, wie die Hardware realisiert wird. Denn wenn dies der Fall wäre, müsste jedes Mal, wenn jemand ein neuartiges Design für die Hardware entwickelt, die Architektur überarbeitet werden - keine schlechte Idee, wenn Sie Ihre Architektur verbessern möchten, aber dieses Umdenken sollte aus dem Wunsch heraus entstehen, sich zu verbessern der Computer im Allgemeinen und nicht nur eine neue RAM-Implementierung aufnehmen.

Es ist eine nicht so ideale Welt und kurz gesagt, die Architektur von Quantencomputern hängt VIEL von der verwendeten "Hardware" ab . Derzeit gibt es mehrere "Modelle" für die physikalische Implementierung von Quantencomputern, und alle erfordern eine erheblich unterschiedliche Architektur. Beispielsweise müssen supraleitende Quantencomputer nahe der absoluten Nulltemperatur gehalten werden. In Quantencomputern mit eingefangenen Ionen werden Laser eingesetzt, um die Kopplung zwischen den Qubit-Zuständen zu induzieren. Für optische Quantencomputer benötigen Sie lineare optische Elemente (einschließlich Strahlteiler, Phasenschieber und Spiegel), um Quanteninformationen zu verarbeiten, sowie Photonendetektoren und Quantenspeicher, um Quanteninformationen zu erfassen und zu speichern.

Hier ist eine Liste der gängigen Architekturen, wie auf Wikipedia angegeben :

• Supraleitendes Quantencomputing (Qubit, implementiert durch den Zustand kleiner supraleitender Schaltungen (Josephson-Übergänge))
• Quantencomputer für eingeschlossene Ionen (Qubit, implementiert durch den internen Zustand eingefangener Ionen)
• Optische Gitter (Qubit, implementiert durch interne Zustände neutraler Atome, die in einem optischen Gitter eingeschlossen sind)
• Quantenpunktcomputer, spinbasiert (z. B. der Loss-DiVincenzo-Quantencomputer) (Qubit gegeben durch die Spinzustände eingefangener Elektronen)
• Quantenpunktcomputer, räumlich basiert (Qubit gegeben durch Elektronenposition in Doppelquantenpunkt)
• Kernspinresonanz an Molekülen in Lösung (Flüssigzustands-NMR) (Qubit durch Kernspins innerhalb des gelösten Moleküls)
• Festkörper-NMR-Kane-Quantencomputer (Qubit, realisiert durch den Kernspinzustand von Phosphordonoren in Silizium)
• Elektronen-auf-Helium-Quantencomputer (Qubit ist der Elektronenspin)
• Hohlraumquantenelektrodynamik (CQED) (Qubit durch den inneren Zustand eingefangener Atome, gekoppelt an Hohlräume mit hoher Finesse)
• Molekularmagnet (Qubit gegeben durch Spinzustände)
• ESR-Quantencomputer auf Fullerenbasis (Qubit basierend auf dem elektronischen Spin von Atomen oder Molekülen in Fullerenen)
• Linearer optischer Quantencomputer (Qubits, die durch Verarbeiten von Zuständen verschiedener Lichtmoden durch lineare Elemente, z. B. Spiegel, Strahlteiler und Phasenschieber, realisiert werden)
• Diamantbasierter Quantencomputer (Qubit, realisiert durch elektronischen oder nuklearen Spin von Stickstoffleerstellen in Diamant)
• Quantencomputer auf Bose-Einstein-Kondensatbasis
• Transistorbasierter Quantencomputer - String-Quantencomputer mit Mitnahme positiver Löcher unter Verwendung einer elektrostatischen Falle
• Seltenerd-Metallionen-dotierte Quantencomputer auf Basis anorganischer Kristalle (Qubit, realisiert durch den internen elektronischen Zustand von Dotierstoffen in optischen Fasern)
• Auf metallischen Kohlenstoffnanosphären basierende Quantencomputer.

Nach dem aktuellen Stand der Technik ziemlich viel. Wie aus der anderen Antwort hervorgeht , implementieren verschiedene Architekturen Qubits in verschiedenen physikalischen Substraten, was zu radikal unterschiedlichen Techniken zum Erzeugen, Entwickeln, Interagieren und Messen der Qubits führt. Darüber hinaus sind unterschiedliche Operationen in einigen Architekturen einfacher als in anderen.

Um etwas ähnlicheres zu bekommen, wie wir normalerweise klassische Computer programmieren, benötigt man eine Art Kompilierungspipeline , die eine bestimmte Berechnung, ausgedrückt in einer abstrakten Hochsprache, auf die spezifischen Hardwaredetails einer bestimmten Architektur abbildet. Dies ist noch in Arbeit, aber es gibt Leute, die in diese Richtung arbeiten. Eine relevante Arbeit, die mir in den Sinn kommt, ist 1604.01401 . Hier ist die in diesem Papier vorgeschlagene Pipeline:

Theoretisch würde eine Software-Suite, die eine solche Pipeline implementiert, das Schreiben von abstraktem Code ermöglichen und automatisch kompiliert werden, um beispielsweise an supraleitenden Chips sowie optischen Quantencomputern oder Ionenfallen-Quantencomputern zu arbeiten.

In der Praxis gibt es noch so viele Dinge zu erledigen (vor allem, wie man tatsächlich skalierbare Quantencomputer herstellt), dass es schwer zu sagen ist, wie ein solches Schema funktionieren wird.