kvanttiarkkitehtuureilla

Kvanttiarkkitehtuureilla tarkoitetaan kvanttitietojenkäsittelyn suunnittelua ja organisointia siten, että tieto esitetään kvanttitiloina (qubiteina) ja laskenta toteutetaan kvanttioperaatioiden avulla. Arkkitehtuureita kehitetään eri fyysisillä alustoilla ja ratkaisuilla, jolloin painopiste vaihtelee koherenssiaikojen, virheenkorjauksen ja skaalautuvuuden suhteen.

Tärkeimmät kvanttiarkkitehtuurit ovat suprajohtavat piirit, vangitut ionit, spin-qubitit (esimerkiksi puolijohteisiin integroidut järjestelmät) sekä fotoniset järjestelmät. Suprajohtavat qubitit käyttävät kytkentäpiirejä ja mikroskooppisia resonanssia käyttäviä jack-tyyppejä, ja niitä on käytössä suurissa laboratorioissa sekä teollisissa kehityshankkeissa. Vangitut ionit tarjoavat usein erittäin pitkän koherenssiajan ja tarkat tilat, mutta vaativat tarkkaa laser-ohjausta. Spin-qubitit hyödyntävät elektronin tai nukleon spinien tiloja elinkaassa ja ne ovat lähempänä kiinteän materiaalin integraatiota. Fotonisilla arkkitehtuureilla korostuu nopea tiedonsiirto ja mittauksellinen toteutus, joka soveltuu erityisesti kvanttiverkkoihin ja tietoliikenteeseen. Myös topologiset kvanttiarkkitehtuuri-ideoita tutkitaan, koska ne voisivat tarjota luonnostaan virheenkorjausominaisuuksia.

Kvanttiarkkitehtuurit voidaan jakaa porttipohjaiseen (gate-based) laskentaan sekä mittaukseen perustuvaan tai adiabattiseen kvanttitulokseen pohjautuviin malleihin. Porttipohjainen laskenta käyttää joukokäskyjä, jolloin peräkkäiset kvanttiportit toteuttavat laskennan; mittaukseen perustuvat mallit rakentuvat tilojen mittauksista ja tilojen tilamuutoksista koostuvaan tapaan, usein verkottuneissa tiloissa. Erityisen keskeistä on virheenkorjaus: kvanttiattribuutteihin kohdistuvat virheet edellyttävät suurta määrää ylimääräisiä qubiteja ja tehokkaita koodauksia, kuten pinta-koodi (surface code). Tämä asettaa haasteita koordinoidaan sekä laite- että ohjelmistotasolla.

Tällä hetkellä ei ole yleiskäyttöistä suurikokoista kvanttilaitetta, mutta useat laboratoriot ja yritykset saavuttavat jatkuvasti parempia koherenssiaikoja, korkeampia porta- ja mittausvirheitä sekä laajempaa skaalautuvuutta. Kvanttiarkkitehtuurien kehitys etenee kohti koherentteja, virheenkorjattuja järjestelmiä sekä sovelluksia laskennasta simulointiin ja ongelmien ratkaisuun, kuten optimointiin ja materiaalitutkimukseen.