By Kenna Hughes-Castleberry julkaistu 24
Niiden haurauden ja meluherkkyyden vuoksi kvantitietokoneet on vielä pitkä matka ennen kuin niitä voidaan käyttää laajemmin. Yksi tämän teknologian kehittämisen suurimmista haasteista liittyy sen arkkitehtuuriin. Kuten monet insinöörit ovat jo havainneet, kubittien kvanttitietokoneessa toimivat sekä muistiyksikkönä että laskentayksikkönä samanaikaisesti. Tämä asettaa rajoja tekniikan toiminnalle, koska kvanttimuisteja ei voida kopioida eikä niitä siten voida tallentaa klassiseen tietokoneeseen. Tämän rajoituksen vuoksi monet kvanttikehittäjät olettavat, että kvanttitietokoneen kubittien on oltava paremmin vuorovaikutuksessa toistensa kanssa voidakseen jakaa muistitietoja. Uusi tutkimus Helsingin yliopistosta Innsbruck ehdottaa uutta arkkitehtuuria kvanttitietokoneelle. Tämä arkkitehtuuri, jota kutsutaan LHZ-arkkitehtuuriksi tutkijoiden Wolfgang Lechnerin, Phillip Hauken ja Peter Zollerin mukaan, on suunniteltu erityisesti optimointia varten, mutta se voi myös suorittaa pariteettioperaatioita ja virheenkorjauksia. Arkkitehtuuri mahdollistaa näiden prosessien tapahtumisen, koska fyysiset kubitit on koodattu bittien välistä koordinointia varten todellisten kubittien sijaan.
"LHZ-arkkitehtuuri on kvanttiarkkitehtuuri, jonka avulla voimme koodata kvanttitietokoneen optimointiongelmia tavalla, joka ei vaadi vaikeita pitkän kantaman vuorovaikutuksia niiden ratkaisemisessa", tohtori selitti. tutkija Michael Fellner Lechnerin tutkimusryhmästä. "Tämä eroaa perinteisistä lähestymistavoista, jotka vaativat usein suuria porttiresursseja näihin vuorovaikutuksiin. Tämän yleiskustannusten vähentämiseksi toteutettu arkkitehtuuri paritetaan merkittävästi. Tämä sallii LHZ-arkkitehtuurin suorittaa pariteettiprosesseja. "Sen sijaan, että jokainen bittimuuttuja koodattaisiin suoraan kvanttibittiin (qubit), LHZ-arkkitehtuurin kubitit edustavat eroa ("pariteetti") kahden tai useamman elinkelpoisen välillä, mikä yksinkertaistaa tiettyjen kvanttialgoritmien toteuttamista", Fellner lisäsi. Koodaamalla kubitit tällä pariteetilla kvanttilaskentaan tarvittavien kubittien määrä vähenee, mikä mahdollistaa helpomman menetelmän skaalautumiseen ja toteutuksiin ja jopa ehdottaa mahdollista tapaa tehdä näistä koneista liikkuvampia.
Pariteetin tavoittelu
Ajatus pariteetti kvanttitietokoneessa ei ole varsinaisesti uutta. Kuten Fellner selitti: "Olemassa olevat kvanttitietokoneet toteuttavat tällaiset toiminnot jo erittäin hyvin pienessä mittakaavassa. Kuitenkin, kun kubittien määrä kasvaa, näiden porttitoimintojen toteuttaminen on entistä monimutkaisempaa." LHZ-arkkitehtuuria suunnitellessaan Innsbruckin tutkijat suunnittelivat tämän mahdollisen ongelman ohjelmoimalla kubitit eri tavalla kuin tyypillinen kvanttitietokone. "Hyödyntämällä sitä tosiasiaa, että pariteettiarkkitehtuurissa kubitit koodaavat useiden "standardi" kubittien suhteellista puolta, se voi toteuttaa joitain kvanttioperaatioita yksinkertaisemmalla tavalla", Fellner lisäsi. "Olemme viimeaikaisessa työssämme osoittaneet, että on mahdollista rakentaa joukko portteja, jotka ovat universaaleja eli mahdollistavat minkä tahansa algoritmin toteuttamisen." Tämän tyyppinen universaali kvanttitietokone viittaa suuriin seurauksiin kvanttilaskentateollisuudelle ja voi auttaa nopeuttamaan sen kehitystä. "Lisäksi", Fellner totesi, "voidaan hyödyntää kubittien määrää havaitakseen ja korjatakseen laskennan aikana mahdollisesti ilmeneviä kvanttivirheitä."
LHZ-arkkitehtuurin käyttäminen virheenkorjauksen vähentämiseen
Koska kvanttitietokoneet ovat herkkiä melulle, ne voivat tulla melko virhealttiiksi. Useita erilaisia menetelmiä testataan keinona lieventää virheenkorjausta, ja Innsbruckin tutkijat uskovat, että LHZ-arkkitehtuuri voi auttaa tässä prosessissa. "Kvanttivirheet voidaan luokitella kahteen tyyppiin, niin sanottuihin bitinvaihtovirheisiin ja vaiheenvaihtovirheisiin", Fellner sanoi. LHZ-arkkitehtuuri on suunniteltu korjaamaan molemmat. Yhden tyyppiset virheet (joko bitin vaihto- tai vaihevirhe) estetään käytetyllä laitteistolla", lisäsivät Innsbruckin tutkijat Annette Messinger ja Killian Ender. "Toisen tyyppinen virhe voidaan havaita ja korjata ohjelmiston avulla." Vankan virheenkorjaus- ja skaalautuvuusmenetelmän ansiosta ei ole yllätys, että LHZ-arkkitehtuuria aletaan ottaa käyttöön.
Jo Lechnerin ja Magdalena Hauserin perustama spin-off-yritys soitti Pariteetti QC, työskentelee tutkijoiden kanssa Innsbruckissa ja muualla yrittääkseen käyttää tätä uutta arkkitehtuuria.
Kenna Hughes-Castleberry on Inside Quantum Technologyn ja JILAn Science Communicatorin (kumppanuus Colorado Boulderin yliopiston ja NISTin välillä) kirjoittaja. Hänen kirjoitustyylinsä sisältävät syväteknologiaa, metaversumia ja kvanttitekniikkaa.