האם יכול להיות מחשב קוונטי אוניברסלי? מחקר מאוניברסיטת אינסברוק אומר שכן

בשל שבירותם ורגישותם לרעש, מחשבים קוונטיים יש עוד דרך ארוכה לעבור עד שניתן יהיה להשתמש בהם באופן נרחב יותר. אחד האתגרים העיקריים בפיתוח טכנולוגיה זו קשור לארכיטקטורה שלה. כפי שהרבה מהנדסים כבר מצאו, ה קווביטים בתוך המחשב הקוונטי פועלים הן כיחידת זיכרון והן כיחידת מחשוב בו זמנית. זה יוצר מגבלות על מה שהטכנולוגיה יכולה לעשות, מכיוון שלא ניתן להעתיק את הזיכרונות הקוונטיים ולכן לא ניתן לאחסן אותם במחשב קלאסי. בגלל מגבלה זו, מפתחים קוונטיים רבים טוענים כי קיוביטים במחשב קוונטי צריכים לקיים אינטראקציה טובה יותר זה עם זה כדי לחלוק מידע זיכרון. מחקר חדש מאוניברסיטת אינסברוק מציע ארכיטקטורה חדשה למחשב קוונטי. ארכיטקטורה זו, שנקראת ארכיטקטורת LHZ על שם החוקרים וולפגנג לכנר, פיליפ האוק ופיטר זולר, תוכננה במיוחד עבור אופטימיזציה אך גם יכולה לבצע פעולות זוגיות ותיקון שגיאות. הארכיטקטורה מאפשרת לתהליכים אלה להתרחש כאשר הקיוביטים הפיזיקליים מקודדים עבור התיאום בין סיביות במקום עבור הקיוביטים בפועל עצמם.

"ארכיטקטורת LHZ היא ארכיטקטורה קוונטית המאפשרת לנו לקודד בעיות אופטימיזציה עבור מחשב קוונטי באופן שאינו דורש אינטראקציות ארוכות טווח קשות בעת פתרון אותן", הסביר Ph.D. חוֹקֵר מייקל פלנר של קבוצת המחקר של לכנר. "זה שונה מגישות קונבנציונליות שלעתים קרובות דורשות תקורה גדולה במשאבי שער עבור אינטראקציות אלה. כדי להפחית את התקורה הזו, הארכיטקטורה המיושמת מותאמת באופן משמעותי. זה מאפשר לארכיטקטורת LHZ לבצע תהליכי זוגיות. "במקום לקודד כל משתנה סיביות ישירות בסיבית קוונטית (qubit), ה-qubits בארכיטקטורת LHZ מייצגים את ההבדל ("שוויון") בין שני קיימאים או יותר, מה שמפשט את היישום של אלגוריתמים קוונטיים מסוימים", הוסיף פלנר. על ידי קידוד הקיוביטים עם זוגיות זו, מספר הקיוביטים הדרושים למחשוב קוונטי פוחת, מה שמאפשר שיטה קלה יותר להרחבה ולהטמעות ואף מציע דרך אפשרית להפוך את המכונות הללו לניידות יותר.

המרדף אחר זוגיות

הרעיון של זוגיות במחשב קוונטי זה לא ממש חדש. כפי שהסביר פלנר: "מחשבים קוונטיים קיימים כבר מיישמים פעולות כאלה טוב מאוד בקנה מידה קטן. עם זאת, ככל שמספר הקיוביטים גדל, זה הופך יותר ויותר מורכב ליישם את פעולות השער הללו". בתכנון ארכיטקטורת LHZ, החוקרים של אינסברוק תכננו את הבעיה האפשרית הזו על ידי תכנות הקיוביטים שלהם בצורה שונה ממחשב קוונטי טיפוסי. "על ידי ניצול העובדה שקיוביטים בארכיטקטורת Parity מקודדים את הצד היחסי של קיוביטים 'סטנדרטיים' מרובים. הוא יכול ליישם כמה פעולות קוונטיות בצורה פשוטה יותר", הוסיף פלנר. "בעבודתנו האחרונה, הראינו שאפשר לבנות מערך שערים שהוא אוניברסלי, כלומר מאפשר ליישם כל אלגוריתם." סוג זה של מחשב קוונטי אוניברסלי מציע השלכות גדולות על תעשיית המחשוב הקוונטי ועשוי לעזור להאיץ את התפתחותו. "בנוסף לכך," קבע פלנר, "אפשר לנצל את התקורה במספר הקיוביטים כדי לזהות ולתקן שגיאות קוונטיות שעלולות להתרחש במהלך החישוב."

שימוש בארכיטקטורת LHZ כדי לצמצם תיקון שגיאות

בגלל הרגישות שלהם לרעש, מחשבים קוונטיים יכולים להיות מועדים למדי לשגיאות. מספר שיטות שונות נבדקות כדרכים למתן תיקון שגיאות וחוקרי אינסברוק מאמינים שארכיטקטורת LHZ יכולה לעזור בתהליך זה. "ניתן לסווג שגיאות קוונטיות לשני סוגים, מה שנקרא שגיאות היפוך סיביות ושגיאות היפוך שלב", קבע פלנר. ארכיטקטורת LHZ נועדה לתקן את שניהם. סוג אחד של שגיאה (או שגיאת ביט או פאזה) נמנע על ידי החומרה שבה נעשה שימוש", הוסיפו חוקרי אינסברוק, אנט מסינגר וקיליאן אנדר. "ניתן לזהות ולתקן את סוג השגיאה האחר באמצעות התוכנה." עם שיטה חזקה לתיקון שגיאות ומדרגיות, זה לא יהיה מפתיע לראות את ארכיטקטורת LHZ מתחילה להיות מיושמת.

כבר התקשרה חברת הספין-אוף שייסדו לכנר ומגדלנה האוזר ParityQC, עובד עם חוקרים באינסברוק ובמקומות אחרים כדי לנסות ולהשתמש בארכיטקטורה החדשה הזו.

קנה יוז-קסטלברי היא כותבת צוות ב-Inside Quantum Technology ו-Science Communicator ב-JILA (שותפות בין אוניברסיטת קולורדו בולדר ו-NIST). פעימות הכתיבה שלה כוללות Deep Tech, Metaverse וטכנולוגיה קוונטית.