WO2024037917A1 - Quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with circuit carrier - Google Patents

Quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with circuit carrier Download PDF

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WO2024037917A1
WO2024037917A1 PCT/EP2023/071844 EP2023071844W WO2024037917A1 WO 2024037917 A1 WO2024037917 A1 WO 2024037917A1 EP 2023071844 W EP2023071844 W EP 2023071844W WO 2024037917 A1 WO2024037917 A1 WO 2024037917A1
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quantum
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gates
designed
classical
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Wolfgang MAUERER
Christoph Niedermeier
Karen Wintersperger
Oliver von Sicard
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    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
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    • G06N10/20—Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers
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    • G06N10/60—Quantum algorithms, e.g. based on quantum optimisation, quantum Fourier or Hadamard transforms

Definitions

  • Quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with a circuit carrier
  • the invention relates to a quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with a circuit carrier.
  • Quantum processors so-called quantum processing units (QPUs) are highly specialized computer components with a quantum circuit that can already carry out some special calculations faster than classical processors, such as central processing units (CPUs) with a classical circuit.
  • QPUs quantum processing units
  • a quantum processor is usually operated in combination with a classical processor.
  • the classical processor is required for configuration, signal evaluation or, in some algorithms, for classical optimization steps between iterative runs of the quantum processor.
  • VQE variational quantum eigensolvers
  • the quantum processor plays the role of a co-processor.
  • the quantum computer according to the invention is designed for hybrid quantum-classical information processing.
  • the quantum computer according to the invention has a circuit carrier on which at least one circuit, comprising one or more gates not designed as quantum gates, and at least one quantum circuit, comprising one or more quantum gates, are arranged.
  • circuit which in this case always means a "classic circuit”, and a quantum circuit.
  • quantum computer By means of the quantum computer according to the invention, an almost latency-free integration of classical circuit and quantum circuit is possible.
  • conventional quantum computers for hybrid quantum-classical information processing the integration of classical circuits with quantum circuits is implemented serially via classical interfaces with high latency.
  • D. H Up to now - depending on the type of conventional quantum computer - between the classical circuit and the quantum circuit, data has to be routed via cables or glass fibers from the outside into a very cooled part of the quantum computer in which the quantum circuit is located.
  • quantum circuits regularly require low temperatures to operate. In such known quantum circuits, however, the entry of heat is a major problem, which can disrupt or prevent the operational capability of the quantum circuit.
  • the problem of heat input advantageously does not arise because, according to the invention, a serial classical interface between the classical circuit and the quantum circuit can be dispensed with.
  • a serial classical interface between the classical circuit and the quantum circuit can be dispensed with.
  • the quantum computer according to the invention advantageously does not require the number of supply lines increasing with the number of qubits in order to implement a classical interface. Bundles of cables can therefore be effectively avoided. the .
  • the operation of the quantum computer according to the invention is therefore significantly simplified.
  • the circuit carrier is preferably semiconductor-based.
  • both the classical circuit and the quantum circuit are particularly advantageously implemented on a semiconductor basis, optionally and yet particularly preferably as integrated circuits, so that the classical circuit and the quantum circuit have the same material base and are in particular formed with or from the same material.
  • the circuit carrier is particularly preferably silicon-based.
  • integration of the quantum computer into conventional information technology hardware is particularly easy, so that conventional technologies for signal connection and/or for integrating circuit and quantum circuit with one another can be used.
  • both the classical circuit and the quantum circuit are particularly advantageously silicon-based.
  • Silicon-lead based preferably means “having semi-lead material” and/or “having semi-lead thermal material” and/or “formed with or from semi-lead thermal material”.
  • silicon-based is preferably understood to mean “silicon-based” or “formed with or from silicon”.
  • the quantum gate or gates is or are implemented in an advantageous development of the invention as quantum gates for superconducting qubits.
  • the cooling of the quantum circuit with the quantum gates designed for superconducting qubits is essential to avoid heat input into the quantum circuit.
  • the quantum computer according to the invention is one Particularly simple and common of the common circuit carrier possible.
  • the quantum computer according to the invention avoids the known disadvantages of conventional quantum computers for hybrid quantum-classical information processing.
  • the gate(s) not designed as quantum gates is or are designed to be transistor-based in an expedient development.
  • the gates that are not designed as quantum gates are expediently gates that carry out classical calculations that do not use the advantages of quantum information processing.
  • the gate or gates not designed as quantum gates are implemented by means of a permanent, i.e. permanently integrated, hardware-based circuit.
  • the gate or gates not designed as quantum gates can be formed by means of a more programmable hardware-based logic circuit, in particular by means of a field-programmable gate array.
  • the circuit carrier and the circuit and the at least one quantum circuit are formed together in one piece in an advantageous development of the invention.
  • the classical circuit and the quantum circuit can be arranged as close to one another as desired, so that latency during data transmission between the classical circuit and the quantum circuit can be made as low as desired.
  • the at least one circuit is for configuration and/or for signal evaluation and/or for carrying out optimization steps, in particular between iterative tive calculations of the at least one quantum circuit.
  • the low-latency or latency-free data transfer between the classical circuit and the quantum circuit which is possible according to the invention, is particularly advantageous, since in this case a data transfer may be necessary between each iterative calculation of the quantum circuit.
  • the advantage of the quantum computer according to the invention compared to conventional quantum computers scales particularly clearly with the number of iterative calculations of the quantum circuit.
  • the quantum computer according to the invention is particularly preferably designed for repeated data transmission between circuit and quantum circuit.
  • the advantage of the quantum computer according to the invention compared to conventional quantum computers scales with the number of data transfers provided between the circuit and the quantum circuit.
  • the quantum computer according to the invention expediently has a further circuit with gates that are not designed as quantum gates, which is designed for initial configuration and/or for receiving a result. Since an initial configuration or receipt of a result only requires a one-time data transfer, namely either to initialize the quantum computer and/or to receive a result of the hybrid quantum-classical information processing, the data transfer required in this further development does not scale disadvantageously between further classical circuits and quantum circuits Complexity of quantum-classical information processing. Rather, the data transfer required to initialize the quantum computer and/or to receive a result of quantum-classical information processing remains unaffected by the number of iterative calculations of the quantum circuit.
  • the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing. Show it :
  • Fig. 1 a conventional quantum computer with a quantum processor and a non-quantum processor, each with its own circuit board, schematically in a schematic diagram and
  • Fig. 2 a quantum computer according to the invention with a quantum processor and a non-quantum processor, which are integrated on a common circuit carrier, schematically in a principle sketch.
  • the one in Fig. 1 quantum computer shown is designed for hybrid quantum-classical information processing and includes a quantum processor QPU with a quantum circuit, which is designed with quantum gates.
  • the one in Fig. 1 quantum computer shown has a classical processor CPU with a classical circuit, i.e. H . a processor CPU that is built exclusively with gates that are not designed as quantum gates.
  • the hybrid quantum-classical information processing is a quantum-supported optimization algorithm in the form of a so-called Quantum Approximate Optimization Algorithm, referred to as QAOA for short.
  • QAOA Quantum Approximate Optimization Algorithm
  • Such a QAOA involves iterative runs of the quantum circuit of the quantum processor QPU. After the respective runs of the quantum circuit, data in the form of classical bits is transmitted from the quantum processor QPU to the classical processor CPU by means of a transmission channel K, in the exemplary embodiment shown a bundle of glass fibers.
  • classic optimization steps are then carried out using the classic processor CPU, each of which is subsequently used for the runs of the quantum circuit of the quantum processor QPU.
  • the quantum processor QPU is implemented using superconducting qubits on a silicon-based chip.
  • the quantum processor QPU is suspended in a cryostat (not shown in the drawing), in which the quantum processor QPU is cooled using liquid helium.
  • the transmission channel K must therefore be inserted and removed from the cryostat. On the one hand, this makes cooling the quantum processor QPU more difficult. On the other hand, the transmission channel K for complex quantum algorithms requires a large number of individual glass fibers, which must be linked to the quantum processor QPU and the classic processor CPU using interfaces known per se. At the same time, data transmission via transmission channel K requires a lot of time.
  • the quantum processor QPU and the classical processor CPU are formed together on a common chip CCH.
  • the common chip CCH also contains the quantum circuit of the quantum processor QPU as well as the classical circuit of the classical processor CPU.
  • Quantum processor QPU and classic processor CPU are therefore designed together as a one-piece and one-piece chip CCH based on a silicon wafer.
  • the common chip CCH is suspended in the cryostat, i.e. H .
  • Both the quantum processor QPU and the classical processor CPU are shown in Fig. 2 illustrated exemplary embodiment cooled to low temperature. Since in Fig. 2, the transmission channel K does not have to lead out of the cryostat, data transmission between the quantum processor QPU and the classic processor CPU can take place directly on the common and deep-cooled chip CCH.
  • the transmission channel L transfers data between the quantum processor QPU and the classic processor CPU without conversion, so that an interface for conversion is also unnecessary.
  • the classical processor CPU and the transmission channel L in the case shown in Fig. 2 also shows an initial configuration of the classical processor by means of a further classical processor CPU2, which, like the previously described classical processor CPU, is formed with classical gates that are not designed as quantum gates.
  • the additional classical processor CPU2 carries out data processing of the end result of the hybrid quantum-classical information processing and provides the end result.
  • the other classic processor CPU2 is like the classic processor CPU in Fig. 1 illustrated exemplary embodiment connected to the common chip CCH by means of glass fibers.
  • the additional classical processor CPU2 is not integrated into an iterative data transfer between the iterative runs of the quantum circuit of the quantum processor QPU, but rather the communication between the common chip CCH and the additional classical processor CPU2 only takes place Beginning and completion of hybrid quantum-classical information processing.
  • the hybrid quantum-classical information processing is not a quantum-supported optimization algorithm, but a variational quantum eigensolver, which is known in the literature as a “variational quantum eigensolver”.
  • Such variational quantum eigensolvers also require iterative runs on a quantum processor QPU, with classical optimization steps being carried out on a classical processor CPU between the iterative runs.
  • Such hybrid quantum-classical information processing can also be implemented in these further exemplary embodiments on the basis shown in FIG. 2 run the quantum computer shown.
  • the quantum processor QPU is not implemented with superconducting quantum gates, but rather the quantum gates are formed by means of ion traps or by means of defects in diamonds.
  • quantum processors QPU are also deep-cooled as a common chip CCH together with the classic processor CPU using a cryostat and otherwise correspond to that in Fig. 2 illustrated exemplary embodiment.
  • both the quantum circuit and the classical circuit can be implemented on a semiconductor basis, in particular as an integrated circuit.

Abstract

The invention relates to a quantum computer for hybrid quantum-classical information processing comprising a circuit carrier on which at least one circuit, comprising one or more gates not formed as quantum gates, and at least one quantum circuit, comprising one or more quantum gates, are arranged.

Description

Beschreibung Description
Quantenrechner für eine hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung mit einem Schaltungsträger Quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with a circuit carrier
Die Erfindung betri f ft einen Quantenrechner für eine hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung mit einem Schaltungsträger . The invention relates to a quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with a circuit carrier.
Quantenprozessoren, sogenannte Quanten-Processing-Units (QPUs ) , sind hochspezialisierte Rechnerkomponenten mit einem Quantenschaltkreis , die bereits heute einige spezielle Berechnungen schneller als klassische Prozessoren, wie etwa Central-Processing-Units ( CPUs ) mit einem klassischen Schaltkreis , durchführen können . Dabei wird ein Quantenprozessor in der Regel in Kombination mit einem klassischen Prozessor betrieben . Quantum processors, so-called quantum processing units (QPUs), are highly specialized computer components with a quantum circuit that can already carry out some special calculations faster than classical processors, such as central processing units (CPUs) with a classical circuit. A quantum processor is usually operated in combination with a classical processor.
Der klassische Prozessor wird j e nach Anwendung für die Konfiguration, Signalauswertung oder in manchen Algorithmen auch für klassische Optimierungsschritte zwischen iterativen Durchläufen des Quantenprozessors benötigt . Depending on the application, the classical processor is required for configuration, signal evaluation or, in some algorithms, for classical optimization steps between iterative runs of the quantum processor.
Dies ist insbesondere bei hybriden quanten-klassischen Algorithmen wie beispiels-weise bei Quanten-Näherungs- Optimierungsalgorithmen, also bei QAOA ( QAOA = ( engl . ) Quantum Approximate Optimi zation Algorithm) , oder bei variationalen Quanten-Eigenlösern, also bei VQE (VQE = ( engl . ) Variational Quantum Eigensolver ) , der Fall . Diese hybriden quanten-klassischen Algorithmen werden als besonders robust angesehen . Dem Quantenprozessor fällt in diesem Fall die Rolle eines Co-Prozessors zu . This is particularly the case with hybrid quantum-classical algorithms such as quantum approximation optimization algorithms, i.e. QAOA (QAOA = Quantum Approximate Optimization Algorithm), or with variational quantum eigensolvers, i.e. VQE (VQE = (English: Variational Quantum Eigensolver), the case. These hybrid quantum-classical algorithms are considered to be particularly robust. In this case, the quantum processor plays the role of a co-processor.
Besonders bei hybriden quanten-klassischen Algorithmen, bei denen auf j eden Durchlauf des Quantenschaltkreises eine klassische Berechnung folgt , die ihrerseits wieder neue Parameter für einen weiteren Durchlauf des Quantenschaltkreises liefert , ist der Datenaustausch zwischen klassischem Prozessor und Quantenprozessor essentiell . Regelmäßig verursacht dabei allerdings die Datenübertragung zu einem klassischen Prozessor eine Verlangsamung des quanten-klassischen Algorithmus , nämlich in j edem Schritt der Aus führung zwischen den Durchläufen des Quantenschaltkreises . Particularly in hybrid quantum-classical algorithms, in which each run of the quantum circuit is followed by a classical calculation, which in turn provides new parameters for a further run of the quantum circuit, the data exchange between classical processor and quantum processor essential. However, data transfer to a classical processor regularly causes the quantum-classical algorithm to slow down, namely in every step of execution between runs of the quantum circuit.
Es gibt derzeit keine Lösung, die diesen seriellen Charakter und die hohe Latenz bei der Aus führung solcher quantenklassischer Algorithmen reduziert . There is currently no solution that reduces this serial character and the high latency when executing such quantum classical algorithms.
Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Quantenrechner zu schaf fen, mittels welchem die bislang bekannte Latenz bei hybrider quanten-klassischer Informationsverarbeitung vermieden werden kann . Against this background of the prior art, it is therefore the object of the invention to create an improved quantum computer by means of which the previously known latency in hybrid quantum-classical information processing can be avoided.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Quantenrechner mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst . Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben . This object of the invention is achieved with a quantum computer with the features specified in claim 1. Preferred developments of the invention are specified in the associated subclaims, the following description and the drawing.
Der erfindungsgemäße Quantenrechner ist für eine hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung ausgebildet . Der erfindungsgemäße Quantenrechner weist einen Schaltungsträger auf , an welchem mindestens ein Schaltkreis , umfassend ein oder mehrere nicht als Quantengatter ausgebildete Gatter, sowie mindestens ein Quantenschaltkreis , umfassend ein oder mehrere Quantengatter, angeordnet sind . The quantum computer according to the invention is designed for hybrid quantum-classical information processing. The quantum computer according to the invention has a circuit carrier on which at least one circuit, comprising one or more gates not designed as quantum gates, and at least one quantum circuit, comprising one or more quantum gates, are arranged.
Der Schaltkreis mit den nicht als Quantengatter ausgebildeten Gattern bildet einen herkömmlichen klassischen Schaltkreis , der insbesondere als klassischer Prozessor ausgebildet sein kann . Infolge der nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter kann der Schaltkreis lediglich klassische Rechnungen ausführen, sodass die Vorteile der Quanteninformationsverarbeitung für den klassischen Schaltkreis nicht zur Verfügung stehen . Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird also zwischen „Schaltkreis" , was vorliegend stets einen „klassischen Schaltkreis" meint , und einem Quantenschaltkreis unterschieden . The circuit with the gates that are not designed as quantum gates forms a conventional classical circuit, which can in particular be designed as a classical processor. As a result of the gates not being designed as quantum gates, the circuit can only carry out classical calculations, so that the advantages of quantum information processing are not available to the classical circuit. In the context of the present application, therefore A distinction is made between "circuit", which in this case always means a "classic circuit", and a quantum circuit.
Mittels des erfindungsgemäßen Quantenrechners ist eine nahezu latenzlose Integration von klassischem Schaltkreis und Quantenschaltkreis ermöglicht . Im Gegensatz dazu ist bei herkömmlichen Quantenrechnern für eine hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung die Integration von klassischen Schaltkreisen mit Quantenschaltkreisen seriell über klassische Schnittstellen mit großer Latenz realisiert . D . h . bislang müssen - j e nach Art des herkömmlichen Quantenrechners - zwischen klassischem Schaltkreis und Quantenschaltkreis Daten über Leitungen oder Glas fasern von außen in einen tiefstgekühlten Teil des Quantenrechners geleitet werden, in welchem der Quantenschaltkreis befindlich ist . Denn typischerweise erfordern derzeit bekannte Quantenschaltkreise regelmäßig Tiefsttemperatur zum Betrieb . Bei solchen bekannten Quantenschaltkreisen aber ist der Eintrag von Wärme ein großes Problem, welches die Betriebs fähigkeit des Quantenschaltkreises stören oder verhindern kann . By means of the quantum computer according to the invention, an almost latency-free integration of classical circuit and quantum circuit is possible. In contrast, in conventional quantum computers for hybrid quantum-classical information processing, the integration of classical circuits with quantum circuits is implemented serially via classical interfaces with high latency. D. H . Up to now - depending on the type of conventional quantum computer - between the classical circuit and the quantum circuit, data has to be routed via cables or glass fibers from the outside into a very cooled part of the quantum computer in which the quantum circuit is located. Typically, currently known quantum circuits regularly require low temperatures to operate. In such known quantum circuits, however, the entry of heat is a major problem, which can disrupt or prevent the operational capability of the quantum circuit.
Erfindungsgemäß tritt das Problem des Wärmeeintrags vorteilhaft nicht auf , denn erfindungsgemäß ist eine serielle klassische Schnittstelle zwischen klassischem Schaltkreis und Quantenschaltkreis verzichtbar . Infolge der gemeinsamen Anordnung von klassischem Schaltkreis und Quantenschaltkreis auf einem gemeinsamen Schaltungsträger können klassischer Schaltkreis und Quantenschaltkreis gemeinsam gekühlt werden, sodass ein Wärmeeintrag in den Quantenschaltkreis wirksam vermieden werden kann . According to the invention, the problem of heat input advantageously does not arise because, according to the invention, a serial classical interface between the classical circuit and the quantum circuit can be dispensed with. As a result of the common arrangement of the classical circuit and the quantum circuit on a common circuit carrier, the classical circuit and the quantum circuit can be cooled together, so that heat input into the quantum circuit can be effectively avoided.
Vorteilhaft erfordert der erfindungsgemäße Quantenrechner zudem aufgrund der Entbehrlichkeit serieller klassischer Schnittstellen zwischen klassischem Schaltkreis und Quantenschaltkreis keine mit der Anzahl von Qubits steigende Anzahl von Zuleitungen, um eine klassische Schnittstelle zu realisieren . Kabelbüschel können somit wirksam vermieden wer- den . Der Betrieb des erfindungsgemäßen Quantenrechners ist folglich deutlich vereinfacht . Due to the dispensability of serial classical interfaces between the classical circuit and the quantum circuit, the quantum computer according to the invention advantageously does not require the number of supply lines increasing with the number of qubits in order to implement a classical interface. Bundles of cables can therefore be effectively avoided. the . The operation of the quantum computer according to the invention is therefore significantly simplified.
Bevorzugt ist bei dem Quantenrechner gemäß der Erfindung der Schaltungsträger halbleiterbasiert . In dieser Weiterbildung der Erfindung sind besonders vorteilhaft sowohl der klassische Schaltkreis als auch der Quantenschaltkreis halbleiterbasiert , optional und gleichwohl besonders bevorzugt als integrierte Schaltkreise , realisiert , sodass klassischer Schaltkreis und Quantenschaltkreis dieselbe Materialbasis aufweisen und insbesondere mit oder aus demselben Material gebildet sind . Es müssen folglich keine aufwendigen Signalkonversionen erfolgen, sondern klassischer Schaltkreis und Quantenschaltkreis sind als integriertes Bauteil ausbildbar und miteinander signalverbindbar . Besonders bevorzugt ist der Schaltungsträger sili ziumbasiert . In dieser Weiterbildung der Erfindung ist eine Integration des Quantenrechners in herkömmliche Inf ormationstechnologie- Hardware besonders leicht möglich, sodass auf herkömmliche Technologien zur Signalverbindung und/oder zur Integration von Schaltkreis und Quantenschaltkreis miteiander zurückgegri f fen werden kann . In dieser Weiterbildung der Erfindung sind besonders vorteilhaft sowohl der klassische Schaltkreis als auch der Quantenschaltkreis sili ziumbasiert . In the quantum computer according to the invention, the circuit carrier is preferably semiconductor-based. In this development of the invention, both the classical circuit and the quantum circuit are particularly advantageously implemented on a semiconductor basis, optionally and yet particularly preferably as integrated circuits, so that the classical circuit and the quantum circuit have the same material base and are in particular formed with or from the same material. As a result, no complex signal conversions have to be carried out, but the classic circuit and quantum circuit can be designed as an integrated component and can be connected to each other in a signal manner. The circuit carrier is particularly preferably silicon-based. In this development of the invention, integration of the quantum computer into conventional information technology hardware is particularly easy, so that conventional technologies for signal connection and/or for integrating circuit and quantum circuit with one another can be used. In this development of the invention, both the classical circuit and the quantum circuit are particularly advantageously silicon-based.
Unter „halbl ei terbasi ert" ist vorzugsweise „Halbl ei ter auf wei send" und/oder „Haibl ei terma terial auf wei send" und/oder „mi t oder aus Halbl ei terma terial gebildet" zu verstehen . Analagog ist unter „sili ziumbasiert" vorzugsweise „Sili zi um auf wei send" oder „mi t oder aus Sili zi um gebildet" zu verstehen . “Semi-lead based” preferably means “having semi-lead material” and/or “having semi-lead thermal material” and/or “formed with or from semi-lead thermal material”. Analogously, “silicon-based” is preferably understood to mean “silicon-based” or “formed with or from silicon”.
Bei dem erfindungsgemäßen Quantenrechner ist oder sind das oder die Quantengatter in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als Quantengatter für supraleitende Qubits realisiert . In dieser Weiterbildung ist die Kühlung des Quantenschaltkreises mit den für supraleitende Qubits ausgebildeten Quantengattern für eine Vermeidung eines Wärmeeintrags in den Quantenschaltkreis essenziell . Erfindungsgemäß ist eine besonders einfache und gemeinsame des gemeinsamen Schaltungsträgers möglich . Insbesondere in dieser Weiterbildung vermeidet der erfindungsgemäße Quantenrechner die bekannten Nachteile herkömmlicher Quantenrechner für hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung . In the quantum computer according to the invention, the quantum gate or gates is or are implemented in an advantageous development of the invention as quantum gates for superconducting qubits. In this development, the cooling of the quantum circuit with the quantum gates designed for superconducting qubits is essential to avoid heat input into the quantum circuit. According to the invention is one Particularly simple and common of the common circuit carrier possible. In particular in this development, the quantum computer according to the invention avoids the known disadvantages of conventional quantum computers for hybrid quantum-classical information processing.
Bei dem erfindungsgemäße Quantenrechner ist oder sind das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter in einer zweckmäßigen Weiterbildung transistorbasiert ausgebildet . Zweckmäßig handelt es sich bei dem nicht als Quantengatter ausgebildeten Gattern um Gatter, welche klassische Rechnungen aus führen, die die Vorteile der Quanteninformationsverarbeitung nicht nutzen . In the quantum computer according to the invention, the gate(s) not designed as quantum gates is or are designed to be transistor-based in an expedient development. The gates that are not designed as quantum gates are expediently gates that carry out classical calculations that do not use the advantages of quantum information processing.
Bei dem Quantenrechner gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist oder sind das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter mittels einer dauerhaften, also dauerhaft integrierten, hardwarebasierten Schaltung realisiert . Alternativ oder zusätzlich können bei dem erfindungsgemäßen Quantenrechner das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter mittels einer programmierbareren hardwarebasierten logischen Schaltung, insbesondere mittels eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays , gebildet sein . In the quantum computer according to a preferred development of the invention, the gate or gates not designed as quantum gates are implemented by means of a permanent, i.e. permanently integrated, hardware-based circuit. Alternatively or additionally, in the quantum computer according to the invention, the gate or gates not designed as quantum gates can be formed by means of a more programmable hardware-based logic circuit, in particular by means of a field-programmable gate array.
Bei dem Quantenrechner sind der Schaltungsträger und der Schaltkreis und der mindestens einen Quantenschaltkreis in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemeinsam einteilig ausgebildet . In diese Weiterbildung können klassischer Schaltkreis und Quantenschaltkreis einander räumlich beliebig nah angeordnet sein, sodass eine Latenz bei einer Datenübertragung zwischen klassischen Schaltkreis und Quantenschaltkreis beliebig gering gestaltet werden kann . In the quantum computer, the circuit carrier and the circuit and the at least one quantum circuit are formed together in one piece in an advantageous development of the invention. In this development, the classical circuit and the quantum circuit can be arranged as close to one another as desired, so that latency during data transmission between the classical circuit and the quantum circuit can be made as low as desired.
Bei dem Quantenrechner ist der mindestens eine Schaltkreis in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zur Konfiguration und/oder zur Signalauswertung und/oder zur Durchführung von Optimierungsschritten, insbesondere zwischen itera- tiven Rechnungen des mindestens einen Quantenschaltkreises , ausgebildet . Auf diese Weise ist die erfindungsgemäß mögliche latenzarme oder latenz freie Datenübertragung zwischen klassischem Schaltkreis und Quantenschaltkreis besonders vorteilhaft , da in diesem Fall zwischen j eder iterativen Rechnung des Quantenschaltkreises eine Datenübertragung erforderlich sein kann . In dieser Weiterbildung skaliert der Vorteil des erfindungsgemäßen Quantenrechners gegenüber herkömmlichen Quantenrechnern mit der Anzahl iterativer Rechnungen des Quantenschaltkreises besonders deutlich . In the quantum computer, in an advantageous development of the invention, the at least one circuit is for configuration and/or for signal evaluation and/or for carrying out optimization steps, in particular between iterative tive calculations of the at least one quantum circuit. In this way, the low-latency or latency-free data transfer between the classical circuit and the quantum circuit, which is possible according to the invention, is particularly advantageous, since in this case a data transfer may be necessary between each iterative calculation of the quantum circuit. In this development, the advantage of the quantum computer according to the invention compared to conventional quantum computers scales particularly clearly with the number of iterative calculations of the quantum circuit.
Der erfindungsgemäße Quantenrechner ist besonders bevorzugt zur wiederholten Datenübertragung zwischen Schaltkreis und Quantenschaltkreis ausgebildet . Wie bereits zur vorhergehenden Weiterbildung beschrieben skaliert auch in dieser Weiterbildung der Vorteil des erfindungsgemäßen Quantenrechners gegenüber herkömmlichen Quantenrechnern mit der Anzahl der zwischen Schaltkreis und Quantenschaltkreis vorgesehenen Datenübertragungen . The quantum computer according to the invention is particularly preferably designed for repeated data transmission between circuit and quantum circuit. As already described for the previous development, in this further development the advantage of the quantum computer according to the invention compared to conventional quantum computers scales with the number of data transfers provided between the circuit and the quantum circuit.
Der Quantenrechner gemäß der Erfindung weist zweckmäßig einen weiteren Schaltkreis mit nicht als Quantengatter ausgebildeten Gattern auf , welcher zur initialen Konfiguration und/oder zur Entgegennahme eines Ergebnisses ausgebildet ist . Da eine initiale Konfiguration oder eine Entgegennahme eines Ergebnisses lediglich eine einmalige Datenübertragung, nämlich entweder zur Initialisierung des Quantenrechners und/oder zur Entgegennahme eines Ergebnisses der hybriden quantenklassischen Informationsverarbeitung erfordert , skaliert die in dieser Weiterbildung erforderliche Datenübertragung wischen weiterem klassischen Schaltkreis und Quantenschaltkreis nicht nachteilig mit der Komplexität der quanten-klassischen Informationsverarbeitung . Vielmehr bleibt die zur Initialisierung des Quantenrechners und/oder zur Entgegennahme eines Ergebnisses der quanten-klassischen Informationsverarbeitung erforderliche Datenübertragung von der Anzahl iterativer Rechnungen des Quantenschaltkreises unbeeinrächtigt . Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert . Es zeigen : The quantum computer according to the invention expediently has a further circuit with gates that are not designed as quantum gates, which is designed for initial configuration and/or for receiving a result. Since an initial configuration or receipt of a result only requires a one-time data transfer, namely either to initialize the quantum computer and/or to receive a result of the hybrid quantum-classical information processing, the data transfer required in this further development does not scale disadvantageously between further classical circuits and quantum circuits Complexity of quantum-classical information processing. Rather, the data transfer required to initialize the quantum computer and/or to receive a result of quantum-classical information processing remains unaffected by the number of iterative calculations of the quantum circuit. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing. Show it :
Fig . 1 einen herkömmlichen Quantenrechner mit einem Quantenprozessor und einem Nichtquantenprozessor mit j eweils eigenem Schaltungsträger schematisch in einer Prinzipski z ze sowie Fig. 1 a conventional quantum computer with a quantum processor and a non-quantum processor, each with its own circuit board, schematically in a schematic diagram and
Fig . 2 einen erfindungsgemäßen Quantenrechner mit einem Quantenprozessor und einem Nichtquantenprozessor, welche auf einem gemeinsamen Schaltungsträger integriert sind, schematisch in einer Prinzipski z ze . Fig. 2 a quantum computer according to the invention with a quantum processor and a non-quantum processor, which are integrated on a common circuit carrier, schematically in a principle sketch.
Der in Fig . 1 dargestellte Quantenrechner ist für eine hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung ausgebildet und umfasst einen Quantenprozessor QPU mit einem Quantenschaltkreis , welcher mit Quantengattern ausgebildet ist . The one in Fig. 1 quantum computer shown is designed for hybrid quantum-classical information processing and includes a quantum processor QPU with a quantum circuit, which is designed with quantum gates.
Ferner umfasst der in Fig . 1 dargestellte Quantenrechner einen klassischen Prozessor CPU mit einem klassischen Schaltkreis , d . h . einen Prozessor CPU, der ausschließlich mit Gattern aufgebaut ist , die nicht als Quantengatter ausgebildet sind . Furthermore, the one in Fig. 1 quantum computer shown has a classical processor CPU with a classical circuit, i.e. H . a processor CPU that is built exclusively with gates that are not designed as quantum gates.
Die hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung ist im dargestellten Aus führungsbeispiel ein quantengestützter Optimierungsalgorithmus in Form eines sogenannten Quantum Approximate Optimi zation Algorithm, kurz als QAOA bezeichnet . Ein solcher QAOA umfasst iterative Durchläufe des Quantenschaltkreises des Quantenprozessors QPU . Nach den j eweiligen Durchläufen des Quantenschaltkreises werden mittels eines Ubertragungskanals K, im dargestellten Aus führungsbeispiel ein Bündel von Glas fasern, Daten in Form von klassischen Bits vom Quantenprozessor QPU zum klassischen Prozessor CPU übertragen . Mittels des klassischen Prozessors CPU erfolgen dann im dargestellten Aus führungsbeispiel klassische Optimierungsschritte , die j eweils nachfolgend für die Durchläufe des Quantenschaltkreises des Quantenprozessors QPU herangezogen werden . In the exemplary embodiment shown, the hybrid quantum-classical information processing is a quantum-supported optimization algorithm in the form of a so-called Quantum Approximate Optimization Algorithm, referred to as QAOA for short. Such a QAOA involves iterative runs of the quantum circuit of the quantum processor QPU. After the respective runs of the quantum circuit, data in the form of classical bits is transmitted from the quantum processor QPU to the classical processor CPU by means of a transmission channel K, in the exemplary embodiment shown a bundle of glass fibers. In the exemplary embodiment shown, classic optimization steps are then carried out using the classic processor CPU, each of which is subsequently used for the runs of the quantum circuit of the quantum processor QPU.
Im dargestellten Aus führungsbeispiel ist der Quantenprozessor QPU mittels supraleitender Qubits auf einem Chip auf Sili ziumbasis realisiert . Um die für die Realisation der supraleitenden Qubits erforderliche Tief temperatur bereitstellen zu können, ist der Quantenprozessor QPU in einem Kryostaten ( in der Zeichnung nicht dargestellt ) aufgehängt , in welchem der Quantenprozessor QPU mittels flüssigen Heliums gekühlt wird . In the exemplary embodiment shown, the quantum processor QPU is implemented using superconducting qubits on a silicon-based chip. In order to be able to provide the low temperature required for the realization of the superconducting qubits, the quantum processor QPU is suspended in a cryostat (not shown in the drawing), in which the quantum processor QPU is cooled using liquid helium.
Der Ubertragungskanal K muss somit in den Kryostaten ein- und ausgeführt werden . Dies erschwert zum einen das Kühlen des Quantenprozessors QPU . Zum anderen erfordert der Ubertragungskanal K für komplexe Quantenalgorithmen eine Viel zahl von einzelnen Glas fasern, die mittels in an sich bekannter Schnittstellen mit dem Quantenprozessor QPU und dem klassischen Prozessor CPU verknüpft werden müssen . Zugleich erfordert die Datenübertragung über den Ubertragungskanal K viel Zeit . The transmission channel K must therefore be inserted and removed from the cryostat. On the one hand, this makes cooling the quantum processor QPU more difficult. On the other hand, the transmission channel K for complex quantum algorithms requires a large number of individual glass fibers, which must be linked to the quantum processor QPU and the classic processor CPU using interfaces known per se. At the same time, data transmission via transmission channel K requires a lot of time.
Demgegenüber sind bei der in Fig . 2 dargestellten Architektur eines Quantenrechners der Quantenprozessor QPU und der klassische Prozessor CPU gemeinsam auf einem gemeinsamen Chip CCH ausgebildet . D . h . , der gemeinsame Chip CCH enthält zugleich den Quantenschaltkreis des Quantenprozessors QPU sowie den klassischen Schaltkreis des klassischen Prozessors CPU . In contrast, in the case shown in Fig. 2 architecture of a quantum computer, the quantum processor QPU and the classical processor CPU are formed together on a common chip CCH. D. H . , the common chip CCH also contains the quantum circuit of the quantum processor QPU as well as the classical circuit of the classical processor CPU.
Quantenprozessor QPU und klassischer Prozessor CPU sind folglich gemeinsam als einstückiger und einteiliger Chip CCH auf der Basis eines Sili ziumwafers ausgebildet . Quantum processor QPU and classic processor CPU are therefore designed together as a one-piece and one-piece chip CCH based on a silicon wafer.
Dabei ist der gemeinsame Chip CCH in dem Kryostaten aufgehängt , d . h . sowohl der Quantenprozessor QPU als auch der klassische Prozessor CPU werden im in Fig . 2 dargestellten Aus führungsbeispiel auf Tief temperatur gekühlt . Da im in Fig . 2 dargestellten Aus führungsbeispiel der Übertragungskanal K nicht aus dem Kryostaten hinaus führen muss , kann eine Datenübertragung zwischen dem Quantenprozessor QPU und dem klassischen Prozessor CPU direkt auf dem gemeinsamen und tiefgekühlten Chip CCH erfolgen . Dazu ist ein dem Ubertragungskanal K entsprechender und den Quantenprozessor QPU und den klassischen Prozessor CPU signalverbindender Ubertragungskanal L vorhanden, welcher mittels auf dem gemeinsamen Chip CCH ausgebildeter elektrischer Leitungsverbindungen ausgebildet ist . Der Ubertragungskanal L überträgt Daten zwischen Quantenprozessor QPU und klassischem Prozessor CPU wandlungs frei , sodass eine Schnittstelle zur Wandlung zusätzlich verzichtbar ist . The common chip CCH is suspended in the cryostat, i.e. H . Both the quantum processor QPU and the classical processor CPU are shown in Fig. 2 illustrated exemplary embodiment cooled to low temperature. Since in Fig. 2, the transmission channel K does not have to lead out of the cryostat, data transmission between the quantum processor QPU and the classic processor CPU can take place directly on the common and deep-cooled chip CCH. For this purpose, there is a transmission channel L corresponding to the transmission channel K and signal-connecting the quantum processor QPU and the classic processor CPU, which is formed by means of electrical line connections formed on the common chip CCH. The transmission channel L transfers data between the quantum processor QPU and the classic processor CPU without conversion, so that an interface for conversion is also unnecessary.
Während bei den iterativen Optimierungsschritten der hybriden quanten-klassischen Informationsverarbeitung die iterativen Rechen- und Kommunikationsvorgänge mittels des Quantenprozessors QPU, des klassischen Prozessors CPU und des Übertragungskanals L erfolgen, so erfolgt bei dem in Fig . 2 dargestellten Aus führungsbeispiel zudem eine initiale Konfiguration des klassischen Prozessors mittels eines weiteren klassischen Prozessors CPU2 , welcher wie der zuvor beschriebene klassische Prozessor CPU mit klassischen Gattern gebildet ist , die nicht als Quantengatter ausgebildet sind . Zusätzlich übernimmt der weitere klassische Prozessor CPU2 eine Datenverarbeitung des Endergebnisses der hybriden quantenklassischen Informationsverarbeitung und stellt das Endergebnis bereit . Dazu ist zwar der weitere klassische Prozessor CPU2 wie der klassische Prozessor CPU des in Fig . 1 dargestellten Aus führungsbeispiels mittels Glas fasern mit dem gemeinsamen Chip CCH verbunden . Allerdings ist der weitere klassische Prozessor CPU2 nicht in eine iterative Datenübertragung zwischen den iterativen Durchläufen des Quantenschaltkreises des Quantenprozessors QPU eingebunden, sondern die Kommunikation zwischen dem gemeinsamen Chip CCH und dem weiteren klassischen Prozessor CPU2 erfolgt lediglich zu Beginn und zum Abschluss der hybriden quanten-klassischen Informationsverarbeitung . While in the iterative optimization steps of hybrid quantum-classical information processing the iterative computing and communication processes take place using the quantum processor QPU, the classical processor CPU and the transmission channel L, in the case shown in Fig. 2 also shows an initial configuration of the classical processor by means of a further classical processor CPU2, which, like the previously described classical processor CPU, is formed with classical gates that are not designed as quantum gates. In addition, the additional classical processor CPU2 carries out data processing of the end result of the hybrid quantum-classical information processing and provides the end result. The other classic processor CPU2 is like the classic processor CPU in Fig. 1 illustrated exemplary embodiment connected to the common chip CCH by means of glass fibers. However, the additional classical processor CPU2 is not integrated into an iterative data transfer between the iterative runs of the quantum circuit of the quantum processor QPU, but rather the communication between the common chip CCH and the additional classical processor CPU2 only takes place Beginning and completion of hybrid quantum-classical information processing.
In weiteren Aus führungsbeispielen, welche im Übrigen dem in Fig . 2 dargestellten Aus führungsbeispiel entsprechen, ist die hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung ist kein quantengestützter Optimierungsalgorithmus , sondern ein Varia- tionaler Quanten-Eigenlöser, der in der Literatur an sich als ( engl . ) „Variational Quantum Eigensolver" bekannt ist . In further exemplary embodiments, which are also similar to those shown in FIG. 2 correspond to the exemplary embodiment shown, the hybrid quantum-classical information processing is not a quantum-supported optimization algorithm, but a variational quantum eigensolver, which is known in the literature as a “variational quantum eigensolver”.
Auch solche variationalen Quanten-Eigenlöser erfordern iterative Durchläufe auf einem Quantenprozessor QPU, wobei zwischen den iterativen Durchläufen klassische Optimierungsschritte auf einem klassischen Prozessor CPU durchgeführt werden . Auch eine solche hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung lässt sich in diesen weiteren Aus führungsbeispielen auf dem in Fig . 2 dargestellten Quantenrechner aus führen . Such variational quantum eigensolvers also require iterative runs on a quantum processor QPU, with classical optimization steps being carried out on a classical processor CPU between the iterative runs. Such hybrid quantum-classical information processing can also be implemented in these further exemplary embodiments on the basis shown in FIG. 2 run the quantum computer shown.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Aus führungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Aus führungsbeispiel entsprechen, ist der Quantenprozessor QPU nicht mit supraleitenden Quantengattern realisiert , sondern die Quantengatter sind mittels lonenfallen oder mittels Fehlstellen in Diamanten gebildet . Auch diese weiteren Beispiele von Quantenprozessoren QPU werden als gemeinsamer Chip CCH gemeinsam mit dem klassischen Prozessor CPU mittels eines Kryostaten tiefgekühlt und entsprechen im Übrigen dem in Fig . 2 dargestellten Aus führungsbeispiel . In further exemplary embodiments not specifically shown, which otherwise correspond to the exemplary embodiment shown, the quantum processor QPU is not implemented with superconducting quantum gates, but rather the quantum gates are formed by means of ion traps or by means of defects in diamonds. These other examples of quantum processors QPU are also deep-cooled as a common chip CCH together with the classic processor CPU using a cryostat and otherwise correspond to that in Fig. 2 illustrated exemplary embodiment.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Aus führungsbeispielen, welche im Übrigen den dargestellten Asus führungsbeispielen entsprechen, können sowohl der Quantenschaltkreis als auch der klassische Schaltkreis halbleiterbasiert , insbesondere als integrierte Schaltung, realisiert sein . In further exemplary embodiments not specifically shown, which otherwise correspond to the illustrated Asus exemplary embodiments, both the quantum circuit and the classical circuit can be implemented on a semiconductor basis, in particular as an integrated circuit.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Quantenrechner für eine hybride quanten-klassische Informationsverarbeitung mit einem Schaltungsträger ( CCH) , an welchem mindestens ein Schaltkreis ( CPU) , umfassend ein oder mehrere nicht als Quantengatter ausgebildete Gatter, sowie mindestens ein Quantenschaltkreis ( QPU) , umfassend ein oder mehrere Quantengatter angeordnet sind . 1 . Quantum computer for hybrid quantum-classical information processing with a circuit carrier (CCH), on which at least one circuit (CPU), comprising one or more gates not designed as quantum gates, and at least one quantum circuit (QPU), comprising one or more quantum gates, are arranged.
2 . Quantenrechner nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der Schaltungsträger ( CCH) halbleiterbasiert , insbesondere sili ziumbasiert , ist . 2. Quantum computer according to the preceding claim, in which the circuit carrier (CCH) is semiconductor-based, in particular silicon-based.
3 . Quantenrechner nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem sowohl der mindestens eine Schaltkreis ( CPU) als auch der mindestens eine Quantenschaltkreis ( QPU) halbleiterbasiert , vorzugsweise sili ziumbasiert und/oder integrierte Schaltkreise , sind . 3. Quantum computer according to the preceding claim, in which both the at least one circuit (CPU) and the at least one quantum circuit (QPU) are semiconductor-based, preferably silicon-based and/or integrated circuits.
4 . Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem das oder die Quantengatter als Quantengatter für supraleitende Qubits realisiert ist oder sind . 4. Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the quantum gate or gates is or are implemented as quantum gates for superconducting qubits.
5. Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter transistorbasiert ausgebildet ist oder sind . 5. Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the gate or gates not designed as quantum gates are or are designed to be transistor-based.
6. Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter mittels einer dauerhaft integrierten hardwarebasierten Schaltung realisiert sind . 6. Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the gate or gates not designed as quantum gates are implemented by means of a permanently integrated hardware-based circuit.
7 . Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter mittels einer programmierbareren hardwarebasierten logischen Schaltung ausgebildet ist oder sind . 7. Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the gate or gates not designed as quantum gates is or are designed by means of a more programmable hardware-based logic circuit.
8 . Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem das oder die nicht als Quantengatter ausgebildeten Gatter mittels eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays ausgebildet sind oder sind . 8th . Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the gate or gates not designed as quantum gates are or are designed by means of a field-programmable gate array.
9. Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem der Schaltungsträger , der Schaltkreis ( CPU) und der mindestens einen Quantenschaltkreis ( QPU) gemeinsam einteilig ausgebildet sind . 9. Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the circuit carrier, the circuit (CPU) and the at least one quantum circuit (QPU) are formed together in one piece.
10 . Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei welchem der mindestens eine Schaltkreis ( CPU) zur Konfiguration und/oder zur Signalauswertung und/oder zur Durchführung von Optimierungsschritten, insbesondere zwischen iterativen Rechnungen des mindestens einen Quantenschaltkreises (QPU) , ausgebildet ist . 10. Quantum computer according to one of the preceding claims, in which the at least one circuit (CPU) is designed for configuration and/or for signal evaluation and/or for carrying out optimization steps, in particular between iterative calculations of the at least one quantum circuit (QPU).
11 . Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , welcher zur wiederholten Datenübertragung ( L ) zwischen Schalt-kreis ( CPU) und Quantenschaltkreis ( QPU) ausgebildet ist . 11. Quantum computer according to one of the preceding claims, which is designed for repeated data transmission (L) between circuit (CPU) and quantum circuit (QPU).
12 . Quantenrechner nach einem der vorhergehenden Ansprüche , welcher einen weiteren Schaltkreis ( CPU2 ) mit nicht als Quantengatter ausgebildeten Gattern aufweist , welcher zur initialen Konfiguration und/oder zur Entgegennahme eines Ergebnisses ausgebildet ist . 12. Quantum computer according to one of the preceding claims, which has a further circuit (CPU2) with gates that are not designed as quantum gates, which is designed for initial configuration and/or for receiving a result.
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