Was begrenzt die Verkleinerung supraleitender Qubits?

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Qubit aufzubauen: Supraleitende (Transmons), NV-Zentren / Spin-Qubits, topologische Qubits usw.

Die supraleitenden Qubits sind die bekanntesten Qubits und auch am einfachsten zu bauen. Die Maschinen von IBM und Google verwenden beispielsweise supraleitende Qubits.

Spin-Qubits haben Größen in der Größenordnung von wenigen Nanometern und damit große Skalierungsmöglichkeiten. Das Problem mit supraleitenden Qubits ist andererseits die Größe. Anscheinend ist es schwierig, die Größe eines supraleitenden Qubits (typischerweise ~ 0,1 mm) zu verkleinern.

Was ist der begrenzende Faktor für die Größe supraleitender Qubits und warum kann dieser begrenzende Faktor nicht verkleinert werden?

Wenn Sie genügend Kapazität erhalten und die Kohärenz aufrechterhalten, wird im Wesentlichen die Größenbeschränkung festgelegt. Ein supraleitendes Qubit zur Beantwortung dieser Frage kann als ein Oszillator vorgestellt werden, der aus einer Induktivität und einem Kondensator besteht. Die Frequenz des Oszillators kann nicht zu hoch sein, da sonst die Steuerung des Qubits schwierig wird. Bei Google arbeiten wir normalerweise mit dem Frequenzbereich 4-8 GHz. Eine breite Palette von Mikrowellenerzeugungs-, -manipulations- und -analysewerkzeugen ist ab Lager für diesen Bereich erhältlich.

Der Kondensator ist auf einfache Weise aufgebaut, um das Rauschen zu reduzieren. Im Wesentlichen ein Plus-förmiger Schnitt in ein Stück Metall. Die Arten von Techniken, die verwendet werden, um große Kondensatoren in kleinen Größen wie ein Paar vermaschter Kämme oder eine Art mehrschichtiges metalldielektrisches Sandwich zu erzielen, erhöhen die Feldstärken und damit die Stärke der Wechselwirkung mit Unvollkommenheiten im Chip, wodurch das Rauschen erhöht wird. Um mit diesem einfachen Design eine große Kapazität zu erhalten, ist viel Platz erforderlich. In der Tat sind unsere Qubits von Mitte zu Mitte näher an 1 mm.

Das ist die Antwort auf Ihre Frage, aber es gibt eine Prämisse im Aufbau Ihrer Frage, dass groß schlecht ist. Meiner Meinung nach ist klein schlecht und groß ist viel skalierbarer.

Wir treiben unsere Qubits mit Mikrowellen an. Diese werden normalerweise mit Koaxialkabeln mit einem Durchmesser geliefert, der derzeit in der Größenordnung von 1/32 Zoll liegt. Wenn Sie sich einen Millionen-Qubit-Computer vorstellen, ist dies in unserer Größenordnung etwa ein Quadratmeter, und ein paar Millionen Zeilen in Klängen sind sehr gut erreichbar. Ich bin mir nicht sicher, warum ein Quanten-Supercomputer kleiner sein soll.

Ich wollte einen Kommentar zu Austin Flowers hinzufügen, aber er besagt, dass ich einen Ruf von 50 Punkten brauche.

Sie benötigen also im Wesentlichen eine ausreichend niedrige Frequenz in Ihrer supraleitenden Schaltung (4-8 GHz ist Googles Wahl, um etablierte Mikrowellenspektroskopie-Tools verwenden zu können). Um eine niedrige Frequenz zu erhalten, benötigen Sie eine hohe Kapazität. Um eine hohe Kapazität zu erhalten, benötigen Sie entweder:

1. einen großen Kondensator (1 mm von Mitte zu Mitte bei Google) oder
2. exotische Technologie wie ein Paar Maschenkämme, aber dies wird die Dekohärenz verstärken.

Das Erstellen kleinerer Qubits ist also begrenzt durch (auf hierarchische Weise):

1. das Fehlen billiger Werkzeuge für die Arbeit in einem höheren Frequenzbereich (über 8 GHz)
2. die Unfähigkeit, ausreichend niedrige Frequenzen zu erreichen, ohne eine größere Kapazität zu verwenden (könnte dies durch Anpassen der Eigenschaften des Induktors gemildert werden? Ich weiß nicht)
3. die Unfähigkeit, eine große Kapazität zu erhalten, ohne den Kondensator groß zu machen [oder] die Unfähigkeit, eine große Kapazität in kleinen Kondensatoren zu erhalten, ohne das Rauschen zu erhöhen.

Ein einfacher Weg, es auszudrücken, ist, dass sie durch Dekohärenz / Rauschen begrenzt sind, aber es gibt andere Möglichkeiten, das Design zu verbessern, die es ermöglichen könnten, Qubits kleiner zu machen, ohne das Rauschen zu stark zu erhöhen.

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Ich habe einen letzten Kommentar zur Antwort von Austin Fowler, der die Gültigkeit der ursprünglichen Frage in Frage stellt, indem er sagt, dass ein paar Millionen Qubits auf ein paar Quadratmeter passen. Warum wollen Sie also einen kleineren? Das ist ein interessanter Punkt. Beim klassischen Rechnen denken wir immer wieder darüber nach, sie kleiner machen zu wollen, damit mehr RAM und mehr Speicherplatz in unsere Tasche passen oder weniger Platz auf dem Tisch beanspruchen, aber Quantencomputer wären derzeit nur "Supercomputer" Austin Fowler wies richtig darauf hin. Ein paar Quadratmeter sind für einen Supercomputer nicht schlecht.

Es ist jedoch nicht klar, ob ein paar Millionen Qubits ausreichen, um nützliche, wertvolle und reale Berechnungen durchzuführen, wie die Reihe der Shor-Algorithmuspapiere von Austin nahe legt (mit Fehlerkorrektur, die definitiv erforderlich sein wird, um etwas Nützliches zu tun). Sie benötigen Milliarden von Qubits. Es ist wahr, dass 100 Qubits auf einem klassischen Computer im Allgemeinen nicht einfach simuliert werden können (die Leute sagten einmal 25 Qubits, dann 30 Qubits, dann machten Haner & Steiger 45 Qubits mit 500 TB RAM, dann sagte Sergio Boixo 47 Qubits in ein 7x7-Array, dann simulierten IBM- und chinesische Gruppen 60, dann 70 auf klassischen Supercomputern, sagen wir also erst einmal 100 Qubits). Die Simulation eines vollständig steuerbaren 100-Qubit-Systems wird interessant sein, um die Physik des Systems selbst zu untersuchen.

Die meisten realen HPC-Probleme: Wettermodellierung, Börsenprognose, Bildverarbeitung für Satellitendaten, Astrophysik usw. werden nicht mit ein paar Millionen Qubits physischem Qubit-Fehler gelöst, der tausend logische Qubits korrigiert. Wenn wir eine Milliarde Qubits benötigen, um einen klassischen Computer bei einem realen Problem zu übertreffen (ich denke, wir brauchen möglicherweise noch mehr), wird Ihr Quadratmeter zu 1000 Quadratmetern, was 0,1 Hektar entspricht. 10 Milliarden Qubits würden das gesamte Gras innerhalb einer 400 m langen Laufstrecke aufnehmen, und dies wird dann zu viel Aufwand bedeuten, um es mit Mikrowellen zu kontrollieren, in einem anständigen Zustand zu halten und mit Strom zu versorgen. ORNLs Titan ist 400 Quadratmeter groß. Wenn der Quantencomputer 1000 Quadratmeter groß sein darf (für 1 Milliarde Qubits), lassen wir den klassischen Computer so groß sein.

Hoffentlich wird es irgendwann einen Crossover-Punkt geben, aber ich stimme sowohl Austin zu (dass wir den Punkt erreicht haben, an dem es viel wichtigeres zu überlegen gibt als nur die Größe der Qubits) als auch Nippons, der diese Frage gestellt hat , weil es scheint, dass wir eine gewisse Größenreduzierung für die Qubits verwenden können.