By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 24. November 2022
Aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit und Störanfälligkeit Quantencomputer Bis zu einer breiteren Anwendung ist es noch ein weiter Weg. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Technologie hat mit ihrer Architektur zu tun. Wie viele Ingenieure bereits festgestellt haben, ist die Qubits innerhalb des Quantencomputers fungieren gleichzeitig als Speichereinheit und als Recheneinheit. Das setzt der Technologie Grenzen, da die Quantenspeicher nicht kopiert und damit nicht in einem klassischen Computer gespeichert werden können. Aufgrund dieser Einschränkung gehen viele Quantenentwickler davon aus, dass Qubits in einem Quantencomputer besser miteinander interagieren müssen, um Speicherinformationen auszutauschen. Neue Forschung von der Universität Innsbruck schlägt eine neue Architektur für einen Quantencomputer vor. Diese Architektur, die nach den Forschern Wolfgang Lechner, Phillip Hauke und Peter Zoller als LHZ-Architektur bezeichnet wird, ist speziell für die Optimierung konzipiert, kann aber auch Paritätsoperationen und Fehlerkorrekturen durchführen. Die Architektur ermöglicht diese Prozesse, da die physischen Qubits für die Koordination zwischen den Bits statt für die eigentlichen Qubits selbst codiert werden.
„Die LHZ-Architektur ist eine Quantenarchitektur, die es uns ermöglicht, Optimierungsprobleme für einen Quantencomputer so zu codieren, dass zu ihrer Lösung keine schwierigen langreichweitigen Wechselwirkungen erforderlich sind“, erklärte Ph.D. Forscher Michael Fellner der Forschungsgruppe Lechner. „Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Ansätzen, die für diese Interaktionen oft einen großen Overhead an Gate-Ressourcen erfordern. Um diesen Overhead zu reduzieren, wird die implementierte Architektur deutlich gepaart. Dies ermöglicht der LHZ-Architektur, Paritätsprozesse durchzuführen. „Anstatt jede Bitvariable direkt in einem Quantenbit (Qubit) zu codieren, stellen die Qubits in der LHZ-Architektur die Differenz („Parität“) zwischen zwei oder mehr Viables dar, was die Implementierung bestimmter Quantenalgorithmen vereinfacht“, fügte Fellner hinzu. Durch die Codierung der Qubits mit dieser Parität verringert sich die Anzahl der für Quantencomputer benötigten Qubits, was eine einfachere Methode für Skalierbarkeit und Implementierungen ermöglicht und sogar einen möglichen Weg vorschlägt, diese Maschinen mobiler zu machen.
Das Streben nach Parität
Die Idee Parität auf einem Quantencomputer ist eigentlich nicht neu. Dazu Fellner: „Bestehende Quantencomputer setzen solche Operationen im kleinen Maßstab bereits sehr gut um. Mit zunehmender Anzahl von Qubits wird es jedoch immer komplexer, diese Gate-Operationen zu implementieren.“ Beim Entwurf der LHZ-Architektur haben die Innsbrucker Forscher diesem möglichen Problem Rechnung getragen, indem sie ihre Qubits anders programmiert haben als ein typischer Quantencomputer. „Indem die Tatsache ausgenutzt wird, dass Qubits in der Paritätsarchitektur den relativen Teil mehrerer „Standard“-Qubits codieren, können einige Quantenoperationen auf einfachere Weise implementiert werden“, fügte Fellner hinzu. „In unserer jüngsten Arbeit haben wir gezeigt, dass es möglich ist, einen Satz von Gattern zu konstruieren, der universell ist, dh es erlaubt, jeden Algorithmus zu implementieren.“ Diese Art von universellen Quantencomputern deutet große Auswirkungen auf die Quantencomputerindustrie an und kann dazu beitragen, ihre Entwicklung zu beschleunigen. „Darüber hinaus“, so Fellner, „kann man den Overhead in der Anzahl der Qubits ausnutzen, um Quantenfehler zu erkennen und zu korrigieren, die während der Berechnung auftreten könnten.“
Verwenden der LHZ-Architektur zur Minderung der Fehlerkorrektur
Aufgrund ihrer Störanfälligkeit können Quantencomputer recht fehleranfällig werden. Mehrere verschiedene Methoden werden getestet, um die Fehlerkorrektur abzumildern, und die Innsbrucker Forscher glauben, dass die LHZ-Architektur bei diesem Prozess helfen kann. „Quantenfehler können in zwei Arten eingeteilt werden, sogenannte Bit-Flip-Fehler und Phasen-Flip-Fehler“, sagte Fellner. Die LHZ-Architektur ist darauf ausgelegt, beides zu korrigieren. Eine Art von Fehler (entweder Bit-Flip oder Phasenfehler) wird durch die verwendete Hardware verhindert“, ergänzten die Innsbrucker Forscher Annette Messinger und Killian Ender. „Die andere Fehlerart kann über die Software erkannt und behoben werden.“ Mit einer robusten Methode zur Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit wird es keine Überraschung sein, wenn die Implementierung der LHZ-Architektur beginnt.
Bereits die von Lechner und Magdalena Hauser mitbegründete Spin-off-Firma rief an ParitätQC, arbeitet mit Forschern in Innsbruck und anderswo zusammen, um diese neue Architektur auszuprobieren und zu nutzen.
Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.
