آیا یک کامپیوتر کوانتومی جهانی وجود دارد؟ تحقیقات دانشگاه اینسبروک می گوید بله

به دلیل شکنندگی و حساسیت آنها به صدا، کامپیوترهای کوانتومی هنوز راه درازی در پیش است تا بتوان از آنها به طور گسترده استفاده کرد. یکی از چالش های اصلی در توسعه این فناوری مربوط به معماری آن است. همانطور که بسیاری از مهندسان قبلاً یافته اند، کیوبیت در کامپیوتر کوانتومی به طور همزمان هم به عنوان یک واحد حافظه و هم یک واحد محاسباتی عمل می کند. این محدودیت‌هایی را برای کارهایی که این فناوری می‌تواند انجام دهد ایجاد می‌کند، زیرا حافظه‌های کوانتومی نمی‌توانند کپی شوند و بنابراین نمی‌توانند در یک کامپیوتر کلاسیک ذخیره شوند. به دلیل این محدودیت، بسیاری از توسعه دهندگان کوانتومی معتقدند که کیوبیت ها در یک کامپیوتر کوانتومی باید با یکدیگر تعامل بهتری داشته باشند تا اطلاعات حافظه را به اشتراک بگذارند. تحقیقات جدید از دانشگاه اینسبروک یک معماری جدید برای یک کامپیوتر کوانتومی پیشنهاد می کند. این معماری که بنام محققین Wolfgang Lechner، Phillip Hauke ​​و Peter Zoller معماری LHZ نامیده می شود، به طور خاص برای بهینه سازی طراحی شده است اما می تواند عملیات برابری و تصحیح خطا را نیز انجام دهد. معماری اجازه می دهد تا این فرآیندها انجام شوند زیرا کیوبیت های فیزیکی برای هماهنگی بین بیت ها به جای خود کیوبیت های واقعی کدگذاری می شوند.

دکتر Ph.D توضیح داد: «معماری LHZ یک معماری کوانتومی است که به ما امکان می‌دهد مسائل بهینه‌سازی را برای یک کامپیوتر کوانتومی به گونه‌ای رمزگذاری کنیم که نیازی به تعاملات دوربرد دشوار در هنگام حل آنها نباشد. محقق مایکل فلنر از گروه تحقیقاتی Lechner. این با رویکردهای مرسوم که اغلب به سربار زیادی در منابع دروازه برای این تعاملات نیاز دارند متفاوت است. برای کاهش این سربار، معماری پیاده سازی شده به طور قابل توجهی جفت می شود. این به معماری LHZ اجازه می دهد تا فرآیندهای برابری را انجام دهد. فلنر افزود: «به جای رمزگذاری هر متغیر بیتی به طور مستقیم در یک بیت کوانتومی (کیوبیت)، کیوبیت‌ها در معماری LHZ نشان‌دهنده تفاوت («برابری») بین دو یا چند متغیر است که اجرای الگوریتم‌های کوانتومی خاص را ساده می‌کند. با رمزگذاری کیوبیت‌ها با این برابری، تعداد کیوبیت‌های مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی کاهش می‌یابد و روشی آسان‌تر برای مقیاس‌پذیری و پیاده‌سازی و حتی پیشنهاد راه‌حلی برای متحرک‌تر کردن این ماشین‌ها را ممکن می‌سازد.

پیگیری برابری

ایده برابری در کامپیوتر کوانتومی در واقع چیز جدیدی نیست. همانطور که فلنر توضیح داد: «کامپیوترهای کوانتومی موجود در حال حاضر چنین عملیاتی را در مقیاس کوچک به خوبی اجرا می کنند. با این حال، با افزایش تعداد کیوبیت ها، اجرای این عملیات گیت پیچیده تر و پیچیده تر می شود. در طراحی معماری LHZ، محققان اینسبروک با برنامه ریزی کیوبیت های خود به روشی متفاوت از یک کامپیوتر کوانتومی معمولی، برای این مشکل احتمالی برنامه ریزی کردند. فلنر افزود: «با بهره‌برداری از این واقعیت که کیوبیت‌ها در معماری برابری، حزب نسبی کیوبیت‌های «استاندارد» متعدد را رمزگذاری می‌کنند، می‌تواند برخی از عملیات کوانتومی را به روشی ساده‌تر پیاده‌سازی کند. ما در کار اخیرمان نشان داده‌ایم که می‌توان مجموعه‌ای از گیت‌ها را ساخت که جهانی باشد، یعنی به فرد اجازه می‌دهد هر الگوریتمی را پیاده‌سازی کند.» این نوع کامپیوتر کوانتومی جهانی پیامدهای بزرگی را برای صنعت محاسبات کوانتومی نشان می‌دهد و ممکن است به تسریع توسعه آن کمک کند. فلنر گفت: «علاوه بر این، می‌توان از سربار تعداد کیوبیت‌ها برای شناسایی و تصحیح خطاهای کوانتومی که ممکن است در طول محاسبه رخ دهد، استفاده کرد.»

استفاده از معماری LHZ برای کاهش تصحیح خطا

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل حساسیت به نویز، می توانند نسبتاً مستعد خطا شوند. چندین روش مختلف به عنوان روش هایی برای کاهش تصحیح خطا در حال آزمایش هستند و محققان اینسبروک معتقدند که معماری LHZ می تواند به این فرآیند کمک کند. فلنر گفت: «خطاهای کوانتومی را می توان به دو نوع طبقه بندی کرد، به اصطلاح خطاهای تلنگر بیتی و خطاهای برگشتی فاز». معماری LHZ برای اصلاح هر دو طراحی شده است. آنت مسینجر و کیلیان اندر، محققین اینسبروک، اضافه کردند که یک نوع خطا (اعم از تلنگر بیت یا خطای فاز) توسط سخت افزار مورد استفاده جلوگیری می شود. "نوع دیگر خطا را می توان از طریق نرم افزار شناسایی و اصلاح کرد." با یک روش قوی برای تصحیح خطا و مقیاس پذیری، دیدن شروع به کارگیری معماری LHZ جای تعجب نخواهد بود.

قبلاً شرکت اسپین آف که توسط Lechner و Magdalena Hauser تأسیس شده بود، به نام ParityQC، با محققان در اینسبروک و جاهای دیگر همکاری می کند تا از این معماری جدید استفاده کند.

کنا هیوز-کستلبری نویسنده کارکنان Inside Quantum Technology و ارتباط دهنده علوم در JILA (شرکتی بین دانشگاه کلرادو بولدر و NIST) است. ضربات نویسندگی او شامل فناوری عمیق، متاورس و فناوری کوانتومی است.