Dependencia de la arquitectura en hardware

¿Qué papel juega el tipo de hardware utilizado para implementar los bloques de construcción (como qubits, circuitos, canales de comunicación, RAM cuántica, etc.) al diseñar la arquitectura para una computadora cuántica a gran escala?

Mis propios pensamientos al respecto: la arquitectura no debe depender de la forma en que se realiza el hardware. Porque si lo hiciera, cada vez que a alguien se le ocurriera un diseño novedoso para el hardware, requeriría repensar la arquitectura, no es una mala idea si está buscando mejorar su arquitectura, pero ese replanteamiento debe nacer del deseo de mejorar la computadora en general y no simplemente acomoda alguna nueva implementación de RAM.

Es un mundo no tan ideal y, en resumen, la arquitectura de las computadoras cuánticas depende MUCHO del "hardware" utilizado . Actualmente hay varios "modelos" para la implementación física de computadoras cuánticas y todos requieren una arquitectura considerablemente distinta. Por ejemplo, las computadoras cuánticas superconductoras deben mantenerse a una temperatura cercana al cero absoluto. En las computadoras cuánticas de iones atrapados hay láseres aplicados para inducir el acoplamiento entre los estados qubit. Para las computadoras cuánticas ópticas, necesita elementos ópticos lineales (incluidos divisores de haz, desfasadores y espejos) para procesar la información cuántica y detectores de fotones y memorias cuánticas para detectar y almacenar información cuántica.

Aquí hay una lista de las arquitecturas comunes, como se indica en Wikipedia :

• Computación cuántica superconductora (qubit implementado por el estado de pequeños circuitos superconductores (uniones Josephson))
• Computadora cuántica de iones atrapados (qubit implementado por el estado interno de iones atrapados)
• Redes ópticas (qubit implementado por estados internos de átomos neutros atrapados en una red óptica)
• Computadora de puntos cuánticos, basada en espín (por ejemplo, la computadora cuántica Loss-DiVincenzo) (qubit dada por los estados de espín de los electrones atrapados)
• Computadora de punto cuántico, basada en el espacio (qubit dado por la posición del electrón en doble punto cuántico)
• Resonancia magnética nuclear en moléculas en solución (RMN en estado líquido) (qubit proporcionado por espines nucleares dentro de la molécula disuelta)
• Computadoras cuánticas de RMN Kane de estado sólido (qubit realizado por el estado de espín nuclear de los donantes de fósforo en silicio)
• Computadoras cuánticas de electrones en helio (qubit es el giro electrónico)
• Electrodinámica cuántica de cavidades (CQED) (qubit proporcionado por el estado interno de átomos atrapados acoplados a cavidades de alta finura)
• Imán molecular (qubit dado por estados de giro)
• Computadora cuántica ESR basada en fullereno (qubit basada en el giro electrónico de átomos o moléculas encerrados en fullerenos)
• Computadora cuántica óptica lineal (qubits realizados mediante el procesamiento de estados de diferentes modos de luz a través de elementos lineales, por ejemplo, espejos, divisores de haz y cambiadores de fase)
• Computadora cuántica basada en diamantes (qubit realizado por giro electrónico o nuclear de centros de vacantes de nitrógeno en diamantes)
• Computadora cuántica basada en condensado de Bose – Einstein
• Computadora cuántica basada en transistores: computadoras cuánticas en cadena con arrastre de agujeros positivos utilizando una trampa electrostática
• Computadoras cuánticas de cristal inorgánico dopadas con iones metálicos de tierras raras (qubit realizado por el estado electrónico interno de dopantes en fibras ópticas)
• Computadoras cuánticas basadas en nanoesferas de carbono de tipo metálico.

En el estado actual del arte, bastante. Como se señaló en la otra respuesta , diferentes arquitecturas implementan qubits en diferentes sustratos físicos, lo que da como resultado técnicas radicalmente diferentes para generar, evolucionar, interactuar y medir los qubits. Además, diferentes operaciones son más fáciles en algunas arquitecturas que en otras.

Para obtener algo más similar a la forma en que generalmente programamos computadoras clásicas, se necesita algún tipo de canalización de compilación , mapeando un cálculo dado, expresado en un lenguaje abstracto de alto nivel, hasta los detalles de hardware específicos de una arquitectura dada. Esto todavía es un trabajo en progreso, pero hay personas que trabajan en esta dirección. Un trabajo relevante que viene a la mente es 1604.01401 . Aquí está la tubería propuesta en este documento:

En teoría, tener suites de software que implementen una tubería de este tipo permitiría escribir código abstracto y se habría compilado automáticamente para trabajar, por ejemplo, en chips superconductores, así como en computadoras cuánticas ópticas o trampas de iones.

En la práctica, todavía hay muchas cosas por resolver (en primer lugar, cómo hacer computadoras cuánticas escalables) que es difícil decir cómo funcionará dicho esquema.