Este în general recunoscut faptul că industria calculului cuantic se află încă în stadii incipiente, existând speranța de a atinge etape utile în termen de 5 până la 10 ani. Această notă de duminică dimineață este o sesiune de brainstorming despre arhitectura viitoare potențială a mașinilor de calcul cuantic.
Înainte de a continua să citiți, rețineți că ceea ce urmează este doar o privire asupra posibilelor viitoruri, nu o predicție a ceea ce se va întâmpla sau ar trebui să se întâmple. După cum a spus Steve Jobs (https://www.inc.com/jeff-haden/why-steve-jobs-and-science-say-you-can-only-connect-dots-looking-backwards.html),
Nu poți lega punctele privind înainte. > Le poți lega doar privind în urmă. > Așadar, trebuie să ai încredere că punctele se vor conecta cumva în viitorul tău. > Trebuie să ai încredere în ceva - în instinctul tău, în destinul tău, în viață, în karma ta, în orice. > Această abordare nu m-a dezamăgit niciodată și a făcut toată diferența în viața mea.
Când ne gândim la anii ‘70, când erau disponibile mainframe-uri mari și voluminoase, ne putem identifica imediat cu modul în care arată sistemele de calcul astăzi. De exemplu, aceasta este comparația dintre sistemul IBM 360/91 din 1966 și sistemul Keysight 1000-qubit implementat la G-QuAT în 2025.
Așadar, ce-ar fi să ne permitem să ne gândim la cum ne-ar plăcea să vedem viitorul sistem de calcul cuantic? Diagrama de mai jos ilustrează punctul meu de vedere. Ideea este pur și simplu de a compara cipurile de memorie actuale, care sunt compuse dintr-o stocare complexă de biți și un controler pentru accesarea acestor biți, cu modul în care sunt implementate astăzi sistemele de control cuantic. Ceea ce ar putea fi controversat este faptul că, în loc să se identifice controlul qubitului ca o unitate de procesare, acesta este acum comparat cu o unitate de memorie.
Aici am dat peste blogul lui Ken Shirriff despre memoria din IBM S/360. Conținutul blogului și al videoclipului este absolut fantastic - nu mi-aș fi putut imagina niciodată că tehnologia memoriei a evoluat atât de mult. Iar modul în care se folosesc impulsuri pentru a „acționa” memoria centrală îmi amintește foarte mult de tehnicile similare folosite pentru a controla și citi „entitățile” qubit, pe care le voi numi apoi „memorii qubit”.
Desigur, mai este mult de lucru până când cineva ar putea lua în considerare o matriță de siliciu integrată, formată atât din qubiți de siliciu (sau modalități similare), cât și din electronică de control. În stadiul actual de dezvoltare, qubiții trebuie să funcționeze la temperaturi criogenice pentru a preveni zgomotul ambiental - da, qubiții sunt entități „sensibile”. În plus, electronica de control este în sine foarte zgomotoasă și generează căldură, așa că nu se potrivește bine amplasării lângă qubit.
Odată ce provocarea zgomotoasă a fost abordată, probabil printr-un progres în știința materialelor (gândiți-vă la memorii feroelectrice sau tranzistoare de terahertz), industria va trebui să se orienteze către circuite integrate integrate, cu ambalaje avansate, la fel cum se face cu [siliciu]. fotonică](https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/amd-reportedly-establishes-usd280-million-silicon-photonics-hub-in-taiwan-new-r-and-d-center-could-accelerate-companys-co-packaged-optics-roadmap). Nu am pretenția să știu cum se va întâmpla acest lucru și cu atât mai puțin când se va întâmpla, dar dacă ne uităm în urmă la evoluția mainframe-urilor - putem fi siguri că se va întâmpla. Și odată ce se întâmplă acest lucru, se deschide ușa pentru ca fiecare echipament electronic să fie echipat cu un element de calcul cuantic.
Notă[28-10-2025]: Diagrama de mai sus presupune implicit că qubitul se bazează pe o modalitate de tip siliciu, dar acest lucru nu trebuie să fie cazul. De exemplu, modalitățile de qubit adresabile optic nu prezintă o provocare criogenică, ci mai degrabă o provocare de scalabilitate și miniaturizare. Și ne putem aștepta cu siguranță la descoperiri și în cazul acestor modalități - gândiți-vă la memoria RAM magnetorezistivă controlată optic.
Ce face ca o memorie QRAM să fie un „element cuantic”?
Link to heading
Această digresiune nu ar fi interesantă fără a răspunde la întrebarea cheie: Ce face ca memoria RAM cuantică să fie un „element cuantic” de interes? Memoria RAM standard, fie că este vorba de RAM statică (SRAM), RAM dinamică (DRAM) sau RAM dinamică sincronă (SDRAM), funcționează pe un principiu foarte simplu: citirea și scrierea biților într-o matrice adresată de un spațiu de adrese liniar.
Să presupunem că qubiții pot fi adresați și printr-un spațiu de adrese liniar. În acest caz, ce face ca această matrice să fie mai interesantă decât o simplă matrice de „biți booleeni”? Acestea sunt câteva dintre considerațiile pe care trebuie să le luăm în considerare atunci când ne gândim la „biți cuantici”:
Inseparabilitate cuantică: Mai mulți qubiți pot prezenta inseparabilitate cuantică. Qubiții inseparabili se corelează întotdeauna între ei pentru a forma un singur sistem. Chiar și atunci când sunt la o distanță infinită unul de celălalt, măsurarea stării unuia dintre qubiți ne permite să cunoaștem starea celuilalt, fără a fi nevoie să o măsurăm direct.
Superpoziție: Superpoziția permite algoritmilor cuantici să utilizeze alte fenomene mecanice cuantice, cum ar fi interferența și inseparabilitatea. Împreună, superpoziția, interferența și inseparabilitatea creează o putere de calcul care poate rezolva problemele exponențial mai rapid decât computerele clasice.
Se știe în general că singurul concept cu adevărat cuantic este entanglementul. Superpoziția este doar o modalitate de a exprima faptul că un sistem poate fi în două sau mai multe stări, care sunt stări cunoscute, dar neobservate. Și odată observat, sistemul „se prăbușește” într-o singură stare definită. Nu este nimic atât de special în superpoziție; ceea ce este special este faptul că se poate folosi entanglementul pentru a „observa” fără a „măsura”, menținând astfel proprietatea cuantică a qubitilor.
Deci, ce fel de interfață ar trebui să expună această memorie QRAM pe „qubiții cu stări suprapuse” pentru a se califica drept „memorie cuantică RAM”?
înseamnă controlul individual al fiecărui qubit cu porți pe un singur qubit, cu „resetare” ca pseudo-poartă.
înseamnă controlul mai multor qubit cu porți condiționate, folosind entanglementul ascuns.
înseamnă citirea fiecărui qubit, prin reducerea sau „răspândirea” qubitului într-o singură stare definită.
Trebuie să recunosc că aceasta este o perspectivă simplificată și naivă împotriva căreia colegii mei fizicieni s-ar opune - și sunt de acord că este nevoie să simplificăm ecuația acesteia cu ajutorul unor abstracțiuni mai bune; trebuie să recunosc, de asemenea, că nu-mi place deloc ideea de a numi o „matrice de biți cuantică” o „memorie cuantică”, dar numele „QRAM” este atât de atrăgător, precum și o [metaforă] puternică (https://hbr.org/2025/10/the-power-of-metaphors-when-introducing-change-initiatives).
Una dintre dilemele legate de „metafora memoriei” este dacă este de fapt acceptabil să „simplificăm” Sistemul de Control Cuantic și să-l lăsăm să devină o parte auxiliară a memoriei. Sau dacă este nevoie de o QCU (Unitate de Control Cuantic) care, asemenea unei GPU (Unitate de Procesare Grafică), să opereze pe biții cuantici, caz în care accentul se pune pe execuția unei secvențe de porți.
Desigur, se poate spune că este același lucru - în primul caz, procesorul nu este mai mult decât controlerul din cadrul matricei de memorie. Dar din perspectiva arhitecturii sistemului, ceea ce este important este să subliniem interfața expusă: în cazul memoriei, secvențiatorul de porți propriu-zis este CPU/GPU, iar interacțiunea cu QRAM se bazează pe Gates (scriere) și Readout (citiri). În cazul unui procesor cuantic, secvența se află în QCU, iar interacțiunea se bazează pe secvențe de porți. Pentru ca primul procesor să funcționeze, CPU/GPU ar trebui să gestioneze un anumit nivel de cosincronitate pentru porțile multi-qubit.
Una dintre numeroasele provocări legate de biții cuantici este scalarea, atât în ceea ce privește cantitatea, cât și fiabilitatea. Cantitatea reprezintă capacitatea de a împacheta mai mulți qubiți în aceeași matriță, în timp ce fiabilitatea se referă la capacitatea de a crea qubiți cu o caracterizare mai bună. În mod intenționat nu am menționat timpul de decoerență, deoarece o decoerență mai lungă poate să nu fie întotdeauna benefică; voi scrie despre asta într-un viitor articol.
Revenind la fiabilitate, merită menționat faptul că în zilele noastre, memoriile RAM sunt incluse în controlere cu ECC intern, sau cod de corectare a erorilor; iar memoria QRAM ar putea beneficia, de asemenea, de pe urma includerii în controler a QEC, sau corecției erorilor cuantice. Aceasta ar crea „memorii cuantice fiabile”.
Ceea ce îmi place la abstractizarea unității de memorie cuantică este faptul că te poți identifica cu ușurință cu evoluția care a avut loc în industria secvențierii ADN-ului: pe vremuri, secvențiatoarele de ADN erau foarte scumpe, deoarece vizau potrivirea perfectă a secvenței - una câte una, și într-adevăr dura 32 de ani pentru a secvenția întregul genom uman. Dar odată cu introducerea NGS, sau Secvențierea de Generație Următoare, a durat doar o zi la un preț mult mai mic. Motivul: abordarea paralelă masivă (Credite imagine: IEEE Spectum).
Deci, poate am putea lua în considerare faptul că, odată ce vom putea crea circuite integrate QRAM, cheia fiabilității va fi permiterea unei redundanțe masive, prin existența a mii de QRAM-uri în pachet, toate făcând același lucru, în loc să încercăm să obținem o singură QRAM perfectă bazată pe qubit logic, așa cum își propune acum QEC?
Voila, voi reveni la acest memoriu peste 5 ani și voi vedea cât din el va fi devenit adevărat, dacă va fi așa!
Diagrame DrawIO utilizate în acest memo: