By Kenna Hughes-Castleberry offentliggjort 24. november 2022
På grund af deres skrøbelighed og modtagelighed for støj, kvantecomputere der er stadig lang vej igen, før de kan blive mere udbredt. En af de største udfordringer i udviklingen af denne teknologi har at gøre med dens arkitektur. Som mange ingeniører allerede har fundet qubits inden for kvantecomputeren fungerer både som en hukommelsesenhed og en computerenhed på samme tid. Dette skaber grænser for, hvad teknologien kan, da kvantehukommelserne ikke kan kopieres og dermed ikke kan gemmes i en klassisk computer. På grund af denne begrænsning hævder mange kvanteudviklere, at qubits i en kvantecomputer skal interagere bedre med hinanden for at dele hukommelsesinformation. Ny forskning fra universitetet i Innsbruck foreslår en ny arkitektur til en kvantecomputer. Denne arkitektur, kaldet LHZ-arkitektur efter forskerne Wolfgang Lechner, Phillip Hauke og Peter Zoller, er designet specifikt til optimering, men kan også udføre paritetsoperationer og fejlkorrektion. Arkitekturen tillader disse processer at ske, da de fysiske qubits er kodet til koordineringen mellem bits i stedet for for de faktiske qubits selv.
"LHZ-arkitekturen er en kvantearkitektur, der giver os mulighed for at indkode optimeringsproblemer for en kvantecomputer på en måde, der ikke kræver vanskelige langdistanceinteraktioner, når vi løser dem," forklarede Ph.D. forsker Michael Fellner fra Lechners forskningsgruppe. "Dette er forskelligt fra konventionelle tilgange, som ofte kræver store overhead i gate-ressourcer til disse interaktioner. For at reducere denne overhead er den implementerede arkitektur parret betydeligt. Dette gør det muligt for LHZ-arkitekturen at udføre paritetsprocesser. "I stedet for at kode hver bitvariabel direkte i en kvantebit (qubit), repræsenterer qubits i LHZ-arkitekturen forskellen ("paritet") mellem to eller flere levedygtige, hvilket forenkler implementeringen af visse kvantealgoritmer," tilføjede Fellner. Ved at kode qubits med denne paritet, falder antallet af qubits, der er nødvendige til kvanteberegning, hvilket muliggør en lettere metode til skalerbarhed og implementeringer og endda foreslår en mulig måde at gøre disse maskiner mere mobile.
Jagten på paritet
Ideen om paritet på en kvantecomputer er faktisk ikke nyt. Som Fellner forklarede: "Eksisterende kvantecomputere implementerer allerede sådanne operationer meget godt i lille skala. Men efterhånden som antallet af qubits stiger, bliver det mere og mere komplekst at implementere disse gate-operationer." Ved udformningen af LHZ-arkitekturen planlagde Innsbruck-forskerne dette mulige problem ved at programmere deres qubits på en anden måde end en typisk kvantecomputer. "Ved at udnytte det faktum, at qubits i paritetsarkitekturen koder den relative part af flere 'standard' qubits., kan den implementere nogle kvanteoperationer på en enklere måde," tilføjede Fellner. "I vores seneste arbejde har vi vist, at det er muligt at konstruere et sæt porte, der er universelle, dvs. tillader en at implementere enhver algoritme." Denne type universel kvantecomputer antyder store implikationer for kvantecomputerindustrien og kan være med til at fremskynde dens udvikling. "Oven i det," sagde Fellner, "kan man udnytte overheaden i antallet af qubits til at opdage og korrigere kvantefejl, der kan opstå under beregningen."
Brug af LHZ-arkitektur til at afbøde fejlkorrektion
På grund af deres modtagelighed for støj kan kvantecomputere blive ret fejltilbøjelige. Flere forskellige metoder bliver testet som måder at afbøde fejlkorrektion, og Innsbruck-forskerne mener, at LHZ-arkitekturen kan hjælpe med denne proces. "Kvantefejl kan klassificeres i to typer, såkaldte bit-flip-fejl og fase-flip-fejl," sagde Fellner. LHZ-arkitekturen er designet til at korrigere begge dele. En type fejl (enten bitflip eller fasefejl) forhindres af den anvendte hardware,” tilføjede Innsbruck-forskerne Annette Messinger og Killian Ender. "Den anden type fejl kan detekteres og rettes via softwaren." Med en robust metode til fejlkorrektion og skalerbarhed vil det ikke være nogen overraskelse at se, at LHZ-arkitektur begynder at blive implementeret.
Allerede det spin-off-selskab, der var medstiftet af Lechner og Magdalena Hauser, ringede ParitetQC, arbejder sammen med forskere i Innsbruck og andre steder for at prøve at bruge denne nye arkitektur.
Kenna Hughes-Castleberry er medarbejderskribent hos Inside Quantum Technology og Science Communicator på JILA (et partnerskab mellem University of Colorado Boulder og NIST). Hendes skrivebeats inkluderer deep tech, metaverset og kvanteteknologi.
