By Kenna Hughes-Castleberry δημοσιεύτηκε στις 24 Νοεμβρίου 2022
Λόγω της ευθραυστότητάς τους και της ευαισθησίας τους στο θόρυβο, κβαντικούς υπολογιστές έχουν ακόμη πολύ δρόμο να διανύσουν για να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν ευρύτερα. Μία από τις κύριες προκλήσεις στην ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας έχει να κάνει με την αρχιτεκτονική της. Όπως έχουν ήδη βρει πολλοί μηχανικοί, το qubits εντός του κβαντικού υπολογιστή λειτουργούν ταυτόχρονα ως μονάδα μνήμης και ως μονάδα υπολογισμού. Αυτό δημιουργεί όρια στο τι μπορεί να κάνει η τεχνολογία, καθώς οι κβαντικές μνήμες δεν μπορούν να αντιγραφούν και επομένως δεν μπορούν να αποθηκευτούν σε έναν κλασικό υπολογιστή. Εξαιτίας αυτού του περιορισμού, πολλοί κβαντικοί προγραμματιστές υποστηρίζουν ότι τα qubits σε έναν κβαντικό υπολογιστή πρέπει να αλληλεπιδρούν καλύτερα μεταξύ τους για να μοιράζονται πληροφορίες μνήμης. Νέα έρευνα από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ προτείνει μια νέα αρχιτεκτονική για έναν κβαντικό υπολογιστή. Αυτή η αρχιτεκτονική, που ονομάζεται αρχιτεκτονική LHZ από τους ερευνητές Wolfgang Lechner, Phillip Hauke και Peter Zoller, έχει σχεδιαστεί ειδικά για βελτιστοποίηση, αλλά μπορεί επίσης να εκτελέσει λειτουργίες ισοτιμίας και διόρθωση σφαλμάτων. Η αρχιτεκτονική επιτρέπει σε αυτές τις διεργασίες να συμβαίνουν καθώς τα φυσικά qubit κωδικοποιούνται για τον συντονισμό μεταξύ των bit αντί για τα ίδια τα πραγματικά qubits.
«Η αρχιτεκτονική LHZ είναι μια κβαντική αρχιτεκτονική που μας επιτρέπει να κωδικοποιούμε προβλήματα βελτιστοποίησης για έναν κβαντικό υπολογιστή με τρόπο που να μην απαιτεί δύσκολες αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας κατά την επίλυσή τους», εξήγησε ο Ph.D. ερευνητής Μάικλ Φέλνερ της ερευνητικής ομάδας του Lechner. «Αυτό είναι διαφορετικό από τις συμβατικές προσεγγίσεις που απαιτούν συχνά μεγάλο κόστος σε πόρους πύλης για αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Για να μειωθεί αυτή η επιβάρυνση, η εφαρμοσμένη αρχιτεκτονική αντιστοιχίζεται σημαντικά. Αυτό επιτρέπει στην αρχιτεκτονική LHZ να εκτελεί διαδικασίες ισοτιμίας. «Αντί να κωδικοποιούν κάθε μεταβλητή bit απευθείας σε ένα κβαντικό bit (qubit), τα qubits στην αρχιτεκτονική LHZ αντιπροσωπεύουν τη διαφορά («ισοτιμία») μεταξύ δύο ή περισσότερων βιώσιμων, γεγονός που απλοποιεί την υλοποίηση ορισμένων κβαντικών αλγορίθμων», πρόσθεσε ο Fellner. Με την κωδικοποίηση των qubits με αυτήν την ισοτιμία, ο αριθμός των qubits που απαιτούνται για τον κβαντικό υπολογισμό μειώνεται, επιτρέποντας μια ευκολότερη μέθοδο για επεκτασιμότητα και υλοποιήσεις και προτείνοντας ακόμη και έναν πιθανό τρόπο να γίνουν αυτές οι μηχανές πιο κινητές.
Το Pursuit of Parity
Η ιδέα του ισοτιμία σε έναν κβαντικό υπολογιστή δεν είναι στην πραγματικότητα καινούργιο. Όπως εξήγησε ο Fellner: «Οι υπάρχοντες κβαντικοί υπολογιστές εφαρμόζουν ήδη τέτοιες λειτουργίες πολύ καλά σε μικρή κλίμακα. Ωστόσο, καθώς ο αριθμός των qubits αυξάνεται, γίνεται όλο και πιο περίπλοκη η υλοποίηση αυτών των λειτουργιών πύλης.» Σχεδιάζοντας την αρχιτεκτονική LHZ, οι ερευνητές του Ίνσμπρουκ σχεδίασαν αυτό το πιθανό πρόβλημα προγραμματίζοντας τα qubit τους με διαφορετικό τρόπο από έναν τυπικό κβαντικό υπολογιστή. «Αξιοποιώντας το γεγονός ότι τα qubits στην Αρχιτεκτονική ισοτιμίας κωδικοποιούν το σχετικό μέρος πολλών «τυποποιημένων» qubits., μπορεί να εφαρμόσει ορισμένες κβαντικές πράξεις με απλούστερο τρόπο», πρόσθεσε ο Fellner. «Στην πρόσφατη εργασία μας, δείξαμε ότι είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα σύνολο πυλών που είναι καθολικό, δηλαδή επιτρέπει σε κάποιον να εφαρμόσει οποιονδήποτε αλγόριθμο». Αυτός ο τύπος παγκόσμιου κβαντικού υπολογιστή υποδηλώνει μεγάλες επιπτώσεις για τη βιομηχανία των κβαντικών υπολογιστών και μπορεί να βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανάπτυξής του. «Επιπλέον», δήλωσε ο Fellner, «μπορεί κανείς να εκμεταλλευτεί την επιβάρυνση στον αριθμό των qubits για να ανιχνεύσει και να διορθώσει τα κβαντικά σφάλματα που μπορεί να προκύψουν κατά τον υπολογισμό».
Χρήση της αρχιτεκτονικής LHZ για τον μετριασμό της διόρθωσης σφαλμάτων
Λόγω της ευαισθησίας τους στο θόρυβο, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί να γίνουν μάλλον επιρρεπείς σε σφάλματα. Πολλές διαφορετικές μέθοδοι δοκιμάζονται ως τρόποι μετριασμού της διόρθωσης σφαλμάτων και οι ερευνητές του Innsbruck πιστεύουν ότι η αρχιτεκτονική LHZ μπορεί να βοηθήσει σε αυτή τη διαδικασία. «Τα κβαντικά σφάλματα μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους, τα λεγόμενα σφάλματα αναστροφής bit και σφάλματα αναστροφής φάσης», δήλωσε ο Fellner. Η αρχιτεκτονική LHZ έχει σχεδιαστεί για να διορθώνει και τα δύο. Ένας τύπος σφάλματος, (είτε αναστροφή bit είτε σφάλμα φάσης) αποτρέπεται από το υλικό που χρησιμοποιείται», πρόσθεσαν οι ερευνητές του Innsbruck, Annette Messinger και Killian Ender. "Ο άλλος τύπος σφάλματος μπορεί να εντοπιστεί και να διορθωθεί μέσω του λογισμικού." Με μια ισχυρή μέθοδο για τη διόρθωση σφαλμάτων και την επεκτασιμότητα, δεν θα είναι έκπληξη να δούμε την αρχιτεκτονική LHZ να αρχίζει να εφαρμόζεται.
Ήδη η spin-off εταιρεία που συνίδρυσαν οι Lechner και Magdalena Hauser, καλείται ParityQC, συνεργάζεται με ερευνητές στο Ίνσμπρουκ και αλλού για να προσπαθήσει να χρησιμοποιήσει αυτή τη νέα αρχιτεκτονική.
Ο Kenna Hughes-Castleberry είναι συγγραφέας προσωπικού στο Inside Quantum Technology και Επιστήμονας Επικοινωνίας στο JILA (μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου του Κολοράντο Boulder και του NIST). Τα συγγραφικά της beats περιλαμβάνουν τη βαθιά τεχνολογία, το μετασύμπαν και την κβαντική τεχνολογία.