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SpinHex prevede 10.000 qubit logici su un chip da 2,6 cm²
Uno studio di progettazione SpinHex prevede che un chip da 2,6 cm² potrebbe ospitare 10.000 qubit di spin logici, ipotizzando errori dello 0,01% nei gate a due qubit. L’architettura esagonale proposta usa punti quantici multielettronici com
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
La stima di 2,6 cm² per SpinHex dipende da gate con fedeltà del 99,99%
Un chip da 2,6 centimetri quadrati potrebbe ospitare 10.000 qubit logici nel progetto SpinHex, secondo uno studio pubblicato il 29 ottobre su Physical Review Research. La stima presuppone errori dello 0,01% nei gate a due qubit, equivalenti a una fedeltà del 99,99%, e comprende lo spazio per le connessioni, l’elettronica di controllo e i componenti necessari per il calcolo universale. Si tratta di un’area stimata con un modello, non di un chip costruito dai ricercatori.
Lo studio propone una rete esagonale di qubit di spin a semiconduttore collegati da punti quantici multielettronici. Gli autori—Rubén M. Otxoa, Josu Etxezarreta Martinez, Paul Schnabl, Javier Oliva del Moral, Normann Mertig, Charles Smith e Frederico Martins—descrivono SpinHex come un’architettura concettuale per l’esecuzione di codici di superficie. Il lavoro esamina numericamente il progetto, compreso l’effetto delle operazioni aggiuntive sulla correzione degli errori.
«Proponiamo un’architettura a qubit di spin basata su punti quantici multielettronici privi di spin, che fungono da accoppiatori a basso crosstalk tra qubit di spin disposti in due dimensioni su un reticolo esagonale.»
Rubén M. Otxoa et al., «SpinHex: A low-crosstalk, spin-qubit architecture based on multielectron couplers»
Accoppiatori a tre vie collegano catene di punti quantici
SpinHex unisce array monodimensionali di punti quantici in giunzioni a tre vie, formando un reticolo bidimensionale. In ogni giunzione, un punto centrale contenente da circa 50 a 100 cariche funge da accoppiatore tra qubit di spin adiacenti. Segnali di tensione controllano l’accoppiatore, che media lo scambio di Heisenberg, l’interazione utilizzata per eseguire operazioni tra spin.
L’accoppiatore, di dimensioni maggiori, è progettato per mantenere i punti quantici dei qubit più distanti tra loro nelle giunzioni, riducendo le interazioni capacitive indesiderate tra di essi. Il progetto separa inoltre i qubit di dati da quelli di misura, il che, secondo gli autori, potrebbe ridurre le correlazioni negli ambienti di rumore di carica dei qubit. Lo studio si concentra su array di punti quantici doppi collegati da questi accoppiatori, nei quali l’informazione di spin viene spostata tra posizioni diverse mediante operazioni SWAP.
Questo spostamento ha un costo: i gate SWAP aggiuntivi aumentano le occasioni di errore durante le operazioni dei codici di superficie. I ricercatori hanno simulato un codice di superficie XZZX ruotato usando un modello di rumore a livello di circuito e riportano una soglia dello 0,18% per gli errori dei gate di entanglement nella loro configurazione SpinHex minima (2, 3). La soglia è un obiettivo effettivo per il margine di errore, non un risultato misurato su un dispositivo SpinHex; il modello non rappresenta il rumore microscopico di una specifica piattaforma a semiconduttore.
Il numero di qubit aumenta nettamente se i gate non raggiungono gli obiettivi
Con il tasso di errore ipotizzato dello 0,01% per i gate a due qubit, gli autori stimano che servano circa 4.480 qubit fisici per un qubit logico operante nel regime TeraQuop, definito nello studio come mille miliardi di operazioni logiche senza errori. La stima del chip da 10.000 qubit logici usa lo stesso scenario ad alta fedeltà. Con un tasso di errore dello 0,05%, circa 4.480 qubit fisici raggiungono invece il regime inferiore MegaQuop; allo 0,1%, gli autori stimano che servano più di 24.000 qubit fisici solo per raggiungere MegaQuop.
Il contrasto rende le prestazioni dei gate centrali per la previsione dell’area occupata. Secondo lo studio, la stima TeraQuop richiede una fedeltà del 99,99% per i gate SWAP e altri gate a due qubit, del 99,999% per i gate di Hadamard e del 99,98% per la preparazione e la misura degli stati. Lo studio osserva che questi obiettivi non sono ancora stati raggiunti per i qubit di spin. La stima di 2,6 cm² si basa anche su ipotesi relative alle dimensioni dei punti quantici e degli accoppiatori e riserva, oltre ai blocchi di dati, un’area aggiuntiva per il controllo e le connessioni.
Un dispositivo bidimensionale è la prova ancora da superare
Gli elementi costitutivi hanno livelli diversi di riscontro sperimentale. Lo studio cita dimostrazioni dello scambio mediato da punti multielettronici in dispositivi monodimensionali e, separatamente, dispositivi a qubit di spin dimostrati in geometrie planari, ma afferma che non è ancora stata realizzata una rete bidimensionale completa di accoppiatori multielettronici. Adattare il progetto alle piattaforme al silicio potrebbe richiedere modifiche alla disposizione dei gate, mentre alcuni dispositivi al silicio necessitano anche di micromagneti o antenne a microonde per il controllo degli spin.
Gli autori individuano come traguardo concreto un accoppiatore a tre porte con connessioni a più spin regolabili indipendentemente. I ricercatori dovrebbero poi misurare il crosstalk capacitivo e il rumore durante le operazioni di scambio mediato. Finché questi test non avranno stabilito come si comportano gli accoppiatori in un array bidimensionale, e se le fedeltà richieste per i gate siano raggiungibili, l’area del chip indicata nel titolo resta una stima architetturale.