By Kenna Hughes-Castleberry geplaatst op 24 nov 2022
Vanwege hun kwetsbaarheid en gevoeligheid voor geluid, quantum computers nog een lange weg te gaan voordat ze op grotere schaal kunnen worden gebruikt. Een van de belangrijkste uitdagingen bij het ontwikkelen van deze technologie heeft te maken met de architectuur. Zoals veel ingenieurs al hebben ontdekt, is de qubits binnen de kwantumcomputer fungeren tegelijkertijd als een geheugeneenheid en een rekeneenheid. Dit creëert grenzen aan wat de technologie kan doen, aangezien de kwantumgeheugens niet kunnen worden gekopieerd en dus niet kunnen worden opgeslagen in een klassieke computer. Vanwege deze beperking stellen veel quantumontwikkelaars dat qubits in een quantumcomputer beter met elkaar moeten interageren om geheugeninformatie te kunnen delen. Nieuw onderzoek van de Universiteit van Innsbruck suggereert een nieuwe architectuur voor een kwantumcomputer. Deze architectuur, genaamd LHZ-architectuur naar onderzoekers Wolfgang Lechner, Phillip Hauke en Peter Zoller, is specifiek ontworpen voor optimalisatie, maar kan ook pariteitsbewerkingen en foutcorrectie uitvoeren. De architectuur maakt het mogelijk dat deze processen plaatsvinden omdat de fysieke qubits worden gecodeerd voor de coördinatie tussen bits in plaats van voor de daadwerkelijke qubits zelf.
"De LHZ-architectuur is een kwantumarchitectuur waarmee we optimalisatieproblemen voor een kwantumcomputer kunnen coderen op een manier die geen moeilijke langeafstandsinteracties vereist bij het oplossen ervan", legt Ph.D. onderzoeker Michaël Fellner van de onderzoeksgroep van Lechner. "Dit verschilt van conventionele benaderingen die vaak een grote overhead aan poortbronnen vereisen voor deze interacties. Om deze overhead te verminderen, is de geïmplementeerde architectuur aanzienlijk verlaagd. Hierdoor kan de LHZ-architectuur pariteitsprocessen uitvoeren. "In plaats van elke bitvariabele rechtstreeks in een kwantumbit (qubit) te coderen, vertegenwoordigen de qubits in de LHZ-architectuur het verschil ("pariteit") tussen twee of meer levensvatbare elementen, wat de implementatie van bepaalde kwantumalgoritmen vereenvoudigt", voegde Fellner eraan toe. Door de qubits met deze pariteit te coderen, neemt het aantal qubits dat nodig is voor kwantumcomputing af, waardoor een eenvoudigere methode voor schaalbaarheid en implementaties mogelijk wordt en zelfs een mogelijke manier wordt gesuggereerd om deze machines mobieler te maken.
Het streven naar pariteit
Het idee van pariteit op een kwantumcomputer is eigenlijk niet nieuw. Zoals Fellner uitlegde: “Bestaande kwantumcomputers voeren dergelijke operaties al heel goed uit op kleine schaal. Naarmate het aantal qubits echter toeneemt, wordt het steeds complexer om deze poortoperaties te implementeren.” Bij het ontwerpen van de LHZ-architectuur hebben de onderzoekers van Innsbruck rekening gehouden met dit mogelijke probleem door hun qubits op een andere manier te programmeren dan een typische kwantumcomputer. "Door gebruik te maken van het feit dat qubits in de pariteitsarchitectuur de relatieve partij van meerdere 'standaard' qubits coderen, kan het sommige kwantumbewerkingen op een eenvoudigere manier implementeren," voegde Fellner toe. "In ons recente werk hebben we aangetoond dat het mogelijk is om een set poorten te construeren die universeel is, dat wil zeggen dat je elk algoritme kunt implementeren." Dit type universele kwantumcomputer suggereert grote implicaties voor de kwantumcomputerindustrie en kan de ontwikkeling ervan helpen versnellen. "Bovendien," zei Fellner, "kan men de overhead in het aantal qubits benutten om kwantumfouten te detecteren en te corrigeren die tijdens de berekening kunnen optreden."
LHZ-architectuur gebruiken om foutcorrectie te verminderen
Vanwege hun gevoeligheid voor ruis kunnen kwantumcomputers behoorlijk foutgevoelig worden. Er worden verschillende methoden getest om foutcorrectie te verminderen en de onderzoekers van Innsbruck zijn van mening dat de LHZ-architectuur kan helpen bij dit proces. "Kwantumfouten kunnen worden ingedeeld in twee typen, de zogenaamde bit-flip-fouten en fase-flip-fouten", aldus Fellner. De LHZ-architectuur is ontworpen om beide te corrigeren. Eén type fout (bitflip of fasefout) wordt voorkomen door de gebruikte hardware”, voegen onderzoekers Annette Messinger en Killian Ender uit Innsbruck toe. “Het andere type fout kan via de software worden opgespoord en gecorrigeerd.” Met een robuuste methode voor foutcorrectie en schaalbaarheid, zal het geen verrassing zijn dat de LHZ-architectuur wordt geïmplementeerd.
Al het spin-offbedrijf dat mede is opgericht door Lechner en Magdalena Hauser, belde PariteitQC, werkt samen met onderzoekers in Innsbruck en elders om deze nieuwe architectuur te proberen te gebruiken.
Kenna Hughes-Castleberry is een stafschrijver bij Inside Quantum Technology en de Science Communicator bij JILA (een samenwerking tussen de University of Colorado Boulder en NIST). Haar schrijfritmes omvatten deep tech, de metaverse en kwantumtechnologie.
