By Kenna Hughes-Castleberry közzétéve: 24. november 2022
Törékenységük és zajérzékenységük miatt kvantum számítógépek még hosszú utat kell megtenni a szélesebb körben történő felhasználásig. A technológia fejlesztésének egyik fő kihívása az architektúrájával kapcsolatos. Amint azt már sok mérnök megállapította, a qubit A kvantumszámítógépen belül memóriaegységként és számítási egységként is működnek egyszerre. Ez korlátokat szab a technológiai lehetőségeknek, mivel a kvantummemóriák nem másolhatók, és így nem tárolhatók egy klasszikus számítógépben. E korlátozás miatt sok kvantumfejlesztő azt állítja, hogy a kvantumszámítógép qubitjeinek jobban kölcsönhatásba kell lépniük egymással a memóriainformációk megosztása érdekében. Új kutatás egyeteméről Innsbruck új architektúrát javasol egy kvantumszámítógép számára. Ezt az architektúrát, amelyet Wolfgang Lechner, Phillip Hauke és Peter Zoller kutatók után LHZ architektúrának neveztek, kifejezetten optimalizálásra tervezték, de képes paritásműveleteket és hibajavítást is végrehajtani. Az architektúra lehetővé teszi, hogy ezek a folyamatok megtörténjenek, mivel a fizikai qubitek a bitek közötti koordinációra vannak kódolva, nem magukra a tényleges qubitekre.
„Az LHZ architektúra egy kvantumarchitektúra, amely lehetővé teszi, hogy kvantumszámítógépek optimalizálási problémáit kódoljuk oly módon, hogy azok megoldása során ne legyen szükség nehéz, hosszú távú interakciókra” – magyarázta Ph.D. kutató Michael Fellner Lechner kutatócsoportja. „Ez eltér a hagyományos megközelítésektől, amelyek gyakran nagy mennyiségű kapuerőforrást igényelnek ezekhez az interakciókhoz. Ennek a többletköltségnek a csökkentése érdekében a megvalósított architektúra jelentősen csökken. Ez lehetővé teszi az LHZ architektúra számára, hogy paritási folyamatokat hajtson végre. „Ahelyett, hogy minden bitváltozót közvetlenül kvantumbitben (qubitben) kódolnának, az LHZ architektúrában a qubitek két vagy több életképesség közötti különbséget („paritást”) képviselik, ami leegyszerűsíti bizonyos kvantumalgoritmusok megvalósítását” – tette hozzá Fellner. A qubitek ezzel a paritással történő kódolásával csökken a kvantumszámításhoz szükséges qubitek száma, ami egyszerűbb módszert tesz lehetővé a skálázhatósághoz és a megvalósításokhoz, és még egy lehetséges módot is javasol a gépek mobilabbá tételére.
A paritásra való törekvés
Az ötlet paritás kvantumszámítógépen valójában nem új. Ahogy Fellner kifejtette: „A meglévő kvantumszámítógépek már kis léptékben is nagyon jól megvalósítják az ilyen műveleteket. A qubitek számának növekedésével azonban egyre bonyolultabbá válik ezeknek a kapuműveleteknek a végrehajtása.” Az LHZ architektúra megtervezésekor az innsbrucki kutatók ezt a lehetséges problémát úgy tervezték meg, hogy a qubiteket más módon programozták, mint egy tipikus kvantumszámítógép. „Azáltal, hogy kihasználja azt a tényt, hogy a Parity Architecture qubitjei több „szabványos” qubit relatív részét kódolják, egyszerűbb módon tud végrehajtani néhány kvantumműveletet” – tette hozzá Fellner. „A legutóbbi munkánkban megmutattuk, hogy létre lehet hozni egy univerzális kapuhalmazt, azaz lehetővé teszi bármilyen algoritmus megvalósítását.” Ez a fajta univerzális kvantumszámítógép nagy következményekkel jár a kvantumszámítástechnikai iparban, és segíthet felgyorsítani fejlődését. „Ezen felül – szögezte le Fellner –, a qubitek számában rejlő többletterhelést kihasználhatjuk a számítás során esetlegesen előforduló kvantumhibák észlelésére és kijavítására.
Az LHZ architektúra használata a hibajavítás enyhítésére
Zajérzékenységük miatt a kvantumszámítógépek meglehetősen hibásak lehetnek. Számos különböző módszert tesztelnek a hibajavítás enyhítésére, és az innsbrucki kutatók úgy vélik, hogy az LHZ architektúra segíthet ebben a folyamatban. "A kvantumhibákat két típusba sorolhatjuk, úgynevezett bit-flip hibákra és fázisváltási hibákra" - mondta Fellner. Az LHZ architektúra mindkettőt korrigálja. A hibák egyik típusát (akár bit-, akár fázishibát) a használt hardver megakadályozza” – tették hozzá Annette Messinger és Killian Ender innsbrucki kutatók. "A másik típusú hiba a szoftveren keresztül észlelhető és kijavítható." A hibajavítás és a méretezhetőség robusztus módszerével nem lesz meglepő, ha az LHZ architektúra megvalósítása elkezdődik.
Már a Lechner és Magdalena Hauser által közösen alapított spin-off cég ún ParityQC, Innsbruckban és másutt kutatókkal dolgozik azon, hogy kipróbálják és felhasználják ezt az új architektúrát.
Kenna Hughes-Castleberry az Inside Quantum Technology és a Science Communicator munkatársa a JILA-nál (a Colorado Boulder Egyetem és a NIST partnersége). Írási ütemei közé tartozik a mélytechnológia, a metaverzum és a kvantumtechnológia.
