Dependência da arquitetura no hardware

Qual é o papel do tipo de hardware usado para implementar os blocos de construção (como qubits, circuitos, canais de comunicação, RAM quântica etc.) ao projetar a arquitetura de um computador quântico em larga escala?

Meus próprios pensamentos sobre o assunto: a arquitetura não deve depender da maneira como o hardware é realizado. Porque se o fizesse, toda vez que alguém apresentasse um novo design para o hardware, seria necessário repensar a arquitetura - não é uma má idéia se você estiver procurando melhorar sua arquitetura, mas esse repensar deve nascer do desejo de melhorar o computador em geral e não apenas acomodar algumas novas implementações de RAM.

É um mundo não tão ideal e, em suma, a arquitetura de computadores quânticos depende MUITO do "hardware" usado . Atualmente, existem vários "modelos" para implementação física de computadores quânticos e todos eles exigem arquitetura consideravelmente distinta. Por exemplo, computadores quânticos supercondutores devem ser mantidos próximos da temperatura zero absoluta. Nos computadores quânticos de íons presos, existem lasers aplicados para induzir o acoplamento entre os estados de qubit. Para computadores quânticos ópticos, são necessários elementos ópticos lineares (incluindo divisores de feixe, deslocadores de fase e espelhos) para processar informações quânticas, detectores de fótons e memórias quânticas para detectar e armazenar informações quânticas.

Aqui está uma lista das arquiteturas comuns, conforme declarado na Wikipedia :

• Computação quântica supercondutora (qubit implementado pelo estado de pequenos circuitos supercondutores (junções de Josephson))
• Computador quântico de íons presos (qubit implementado pelo estado interno dos íons presos)
• Redes ópticas (qubit implementado por estados internos de átomos neutros presos em uma rede óptica)
• Computador de ponto quântico, baseado em spin (por exemplo, o computador quântico Loss-DiVincenzo) (qubit dado pelos estados de spin de elétrons presos)
• Computador de pontos quânticos, baseado em espaço (qubit dado pela posição do elétron em ponto quântico duplo)
• Ressonância magnética nuclear em moléculas em solução (RMN de estado líquido) (qubit fornecido por rotações nucleares na molécula dissolvida)
• Computadores quânticos Kane de RMN de estado sólido (qubit realizado pelo estado de rotação nuclear de doadores de fósforo em silício)
• Computadores quânticos de elétrons em hélio (qubit é a rotação do elétron)
• Eletrodinâmica quântica de cavidades (CQED) (qubit fornecido pelo estado interno de átomos presos acoplados a cavidades de alta fineza)
• Ímã molecular (qubit dado pelos estados de rotação)
• Computador quântico de ESR baseado em fulereno (qubit baseado na rotação eletrônica de átomos ou moléculas envoltas em fulerenos)
• Computador quântico óptico linear (qubits realizados pelo processamento de estados de diferentes modos de luz através de elementos lineares, como espelhos, divisores de feixe e deslocadores de fase)
• Computador quântico baseado em diamante (qubit realizado por rotação eletrônica ou nuclear de centros de vacinação com nitrogênio em diamante)
• Computador quântico baseado em condensado de Bose-Einstein
• Computador quântico baseado em transistor - computadores quânticos de cadeia com arrastamento de orifícios positivos usando uma armadilha eletrostática
• Computadores quânticos inorgânicos dopados com íons metálicos de terras raras e metais (qubit realizado pelo estado eletrônico interno de dopantes em fibras ópticas)
• Computadores quânticos baseados em nanoesferas de carbono metálicas.

No estado atual da arte, um pouco. Conforme apontado pela outra resposta , diferentes arquiteturas implementam qubits em diferentes substratos físicos, o que resulta em técnicas radicalmente diferentes para gerar, evoluir, interagir e medir os qubits. Além disso, operações diferentes são mais fáceis em algumas arquiteturas do que em outras.

Para obter algo mais parecido com o modo como geralmente programamos computadores clássicos, é necessário algum tipo de pipeline de compilação , mapeando uma determinada computação, expressa em uma linguagem abstrata de alto nível, até os detalhes específicos de hardware de uma determinada arquitetura. Ainda é um trabalho em andamento, mas há pessoas trabalhando nessa direção. Um trabalho relevante que vem à mente é 1604.01401 . Aqui está o pipeline proposto neste artigo:

Em teoria, ter suítes de software implementando esse pipeline permitiria escrever código abstrato e compilar automaticamente para trabalhar em, digamos, chips supercondutores, bem como computadores quânticos ópticos ou com armadilha de íons.

Na prática, ainda há muitas coisas a serem resolvidas (antes de tudo, como realmente criar computadores quânticos escaláveis) que é difícil dizer como esse esquema funcionará.