Kvanttitietokoneiden kasvua rajoittaa yhä useammin käytännön laitteistofysiikka eikä pelkkä kubittien määrä. Göteborgilaisen Chalmersin teknisen korkeakoulun tutkijoiden mukaan usean kubitin ohjaaminen yhdellä kaapelilla voi vähentää jäähdytyskuormaa ilman merkittävää hidastusta.
Kvanttitietokoneiden skaalaus törmää nopeasti lämpöön. Kun kubittien määrä kasvaa, jokainen ohjauskaapeli tuo lisää lämpökuormaa kryostaattiin, jossa järjestelmä toimii lähellä absoluuttista nollapistettä. Samalla kaapelit vievät fyysistä tilaa, mikä rajoittaa käytännössä rakennettavien järjestelmien kokoa.
Chalmersin tutkijat esittävät ratkaisuksi kaapelien jakamista usean kubitin kesken. Sen sijaan että jokaista kubittia ohjattaisiin omalla linjallaan, ohjaussignaalit voidaan ohjata vuorotellen eri kubiteille saman kaapelin kautta. Menetelmä perustuu mikroaaltokytkimiin ja aikajakoon, jossa signaali reititetään nopeasti oikeaan kohteeseen.
Keskeinen kysymys on ollut, hidastuuko laskenta liikaa, jos kubitit joutuvat odottamaan vuoroaan. Tutkimuksen simulaatiot viittaavat siihen, että näin ei useimmissa tapauksissa tapahdu. Monissa tavallisissa kvanttialgoritmeissa ajoaika kasvaa vain vähän, ja joissakin kahden kubitin operaatioissa lisäviivettä ei synny käytännössä lainkaan tietyissä topologioissa.
Merkittävin havainto on, ettei laskenta-aika kasva lineaarisesti kaapelien jakamisen myötä. Tutkijoiden mukaan kasvu on logaritmista, mikä tekee lähestymistavasta huomattavasti käyttökelpoisemman suurissa järjestelmissä kuin aiemmin on oletettu. Tämä on olennaista, koska lineaarinen hidastuminen tekisi menetelmästä nopeasti epäkäytännöllisen.
Tutkimuksessa mallinnettiin kvanttiprosessoreita aina noin tuhanteen kubittiin asti. Erityishuomio kohdistui 121 kubitin ruudukkoon, jossa testattiin erilaisia kaapelijakoja yhdestä kubitista aina koko järjestelmän kattavaan jakoon. Suurimmissa simulaatioissa tarkasteltiin enintään kahdeksaa kubittia per kaapeli.
Tulokset eivät kuitenkaan vielä ratkaise ongelmaa käytännössä. Työ on teoreettinen, eikä siinä osoiteta valmista laitetason toteutusta mikroaaltokytkimille, joiden pitäisi toimia erittäin nopeasti ja pienillä häviöillä kryogeenisissa olosuhteissa. Juuri komponenttien suorituskyky ratkaisee, siirtyykö idea laboratorioista tuotantokelpoisiin kvanttiprosessoreihin.
Kvanttitietokoneiden kehityksessä huomio keskittyy usein kubittien laatuun ja virheenkorjaukseen, mutta järjestelmätason rajoitteet, kuten kaapelointi ja jäähdytys, voivat muodostua yhtä kriittisiksi. Kaapelien jakaminen tarjoaa keinon hillitä näitä rajoitteita ilman suurta suorituskykysakkoa.
Tutkimus on julkaistu PRX Quantum -lehdessä.
