BIBLIOGRAPHY:

Muchas tecnologías diferentes sobre computación cuántica se encuentran bajo investigación experimental [18], no obstante, cada arquitectura de un sistema escalable sigue siendo un proble- ma de investigación abierto. Desde que DiVincenzo introdujo su criterio fundamental para una tecnología de computación cuántica viable [20], y Steane enfatizó la dificultad de diseñar siste- mas capaces de ejecutar Corrección de Error Cuántico (CEC) adecuadamente [21,22], varios gru-

pos de investigadores han esbozado diversas taxonomías adicionales que abordan las necesida- des arquitectónicas de sistemas a gran escala [23,24]. A modo de ejemplo, se han propuesto inter- conectores de pequeña escala para muchas tecnologías, pero los problemas de organizar los sub- sistemas usando estas técnicas en una arquitectura completa para un sistema de gran escala ha sido abordado solo por pocos investigadores. En particular, La cuestión de la heterogeneidad en la arquitectura del sistema ha recibido relativamente poca atención.

La subrutina más importante en computadoras cuánticas tolerante a fallos considerada entonces es por lejos la preparación de los estados ancilla (comodín) para circuitos tolerantes a fallos, dado que estos circuitos frecuentemente requieren extremadamente muchas ancillas. Taylor et al. pro-

pusieron un diseño con “bloques de ancillas” alternadas y ‘‘bloques de datos’’ en la disposición del dispositivo [25]. Steane introdujo la idea de ‘‘fábricas’’ para la creación de ancillas [26], para lo cual se examina en este trabajo para el caso del código de superficie. Isailovic et al. [27] estu-

dió este problema para arquitectura de trampas de iones y se encontró que, para circuitos cuán- ticos típicos, aproximadamente el 90% de la computadora cuántica se debe dedicar a tales fábri- cas con el fin de calcular ‘‘a la velocidad de los datos,’’ o donde la producción de ancilla no es el proceso limitante en velocidad. Los resultados que se presentan aquí están muy de acuerdo con esta estimación. Metodi et al. consideran también la producción de ancillas en diseños de trampas

de iones, poniendo el foco en cambio sobre estado ancilla de 3-cubits usada para la compuerta de Toffoli [28], lo cual es un camino alternativo para un conjunto de compuertas tolerante a fallos. Algunos investigadores han estudiado la dificultad de mover datos en un procesador cuántico. Kielpinski et al. propusieron una tecnología escalable de trampa de iones utilizando áreas sepa-

radas para memoria y cálculo [29]. Dado que la corrección de error cuántico requiere ciclos rápi- dos a través de todos los cubits físicos en el sistema, esta aproximación es la mejor usada como una célula de unidad de replicado a través de un sistema más grande. Otros investigadores han propuesto sistemas homogéneos alrededor de este concepto básico. Una estructura común es un árbol H recursivo, el cual trabaja bien con un pequeño número de capas de un código de

Calderbank-Shor-Steane, destinados específicamente a los sistemas de trampa de iones [30,31]. Oskin et al. [32], construye sobre la tecnología de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de

estado sólido de Kane [33], proponiendo una red flexible de sitios, teniendo en cuenta explíci- tamente los temas de control clásico y el movimiento de los datos en los sistemas cuánticos esca- lables, pero sin un plan específico para CEC. En el caso de computación cuántica con circuitos superconductores, la arquitectura cuántica de von Neumann se considera específicamente dedi- cada al hardware para memorias cuánticas, registros de reducción a cero, y un bus cuántico, como el mencionado en [34].

El acoplamiento a larga distancia y la comunicación son retos importantes para los ordenadores cuánticos. Cirac et al. propusieron el uso de cubits fotónicos para distribuir el entrelazamiento

entre átomos distantes [35], y otros investigadores han estudiado las perspectivas para compuer- tas no locales mediadas ópticamente [36–40]. Tales canales fotónicos podrían ser utilizados para realizar una computadora cuántica distribuida, escalable y modular [41]. Inversamente, Metodi et al. consideraron cómo usar compuertas locales y teleportación cuántica para mover cubits lógicos

mediante sus arquitectura de arreglo lógico cuántico de trampa de iones [28]. Fowler et al. [42]

investigaron la arquitectura de flujo de cubits en la juntura de Josephson considerando las dificul- tades extremas de rutear ambos los acopladores cuánticos y un gran número de líneas de control clásicas, produciendo una estructura con soporte para los códigos de Calderbank-Shor-Steane y los cubits lógicos organizados en una línea. Whitney et al. [43,44] han investigado la disposición

de iones, mientras que Isailovic et al. [27,45] han estudiado la interconexión y las cuestiones de

rendimiento de datos en sistemas similares de trampa de iones, con un énfasis sobre la prepara- ción de ancillas para compuertas de teleportación [46].

Otros trabajos en los que se han estudiado las arquitecturas de computadoras cuánticas solo con acoplamiento del vecino más cercano entre cubits en un arreglo son los de [47-51], tecnología atractiva desde el punto de vista del diseño del hardware. Con los avances recientes en la opera- ción de códigos topológicos y sus características deseables tales como el hecho de tener un umbral práctico alto y solo requerir interacciones de vecino más próximo, el esfuerzo de investí- gación se ha desplazado hacia arquitecturas capaces de construir y mantener grandes clústers de estados de 2 y 3 dimensiones [52-55]. Estos sistemas se basan en modelos de corrección topoló- gica de errores [56], cuya tolerancia al error más alta se convierte frecuentemente en el costo de un sistema físico mayor, relativo a, por ejemplo, implementaciones basadas en el código de Steane [57]. El código de superficie [19], el cual se examina en este trabajo por su impacto sobre la arquitectura, pertenece a la familia topológica de códigos.

La atención reciente se ha dirigido a los modelos distribuidos de computación cuántica. Devitt et al. estudiaron como distribuir una red de computación cuántica de clúster de estados fotónicos

sobre diferentes regiones geográficas [58]. El marco resumen de un multicomputador cuántico reconoce que los sistemas de gran escala demandan interconectores heterogéneos [59]; en la mayoría de las tecnologías de computación cuántica, no es posible construir sistemas monolíticos que contengan, el acoplamiento, y el control de miles de millones de cubits físicos. Van Meter et al. [60] extendieron éste marco arquitectónico con un diseño basado en el acoplamiento nanofo-

tónico de los puntos cuánticos espín-electrón el cual usa explícitamente múltiples niveles de inter-conexión el cual va variando las fidelidades de acoplamiento (resultando en requerimientos de purificación variantes), tan bien como la habilidad de operar con un rendimiento muy bajo de dispositivos funcionales. A pesar de que el sistema propuesto tiene muchas características atrac- tivas, la preocupación por la dificultad de fabricación de componentes ópticos de calidad adecua- damente alta y el deseo de reducir el tiempo del ciclo de red del código de superficie lleva al diseño del sistema propuesto en este capítulo.