By Kenna Hughes-Castleberry lagt ut 24. november 2022
På grunn av deres skjørhet og følsomhet for støy, kvante datamaskiner har fortsatt en lang vei å gå før de kan bli mer utbredt. En av hovedutfordringene i utviklingen av denne teknologien har å gjøre med arkitekturen. Som mange ingeniører allerede har funnet qubits innenfor kvantedatamaskinen fungerer både som en minneenhet og en dataenhet på samme tid. Dette skaper grenser for hva teknologien kan gjøre, da kvanteminnene ikke kan kopieres og dermed ikke kan lagres i en klassisk datamaskin. På grunn av denne begrensningen hevder mange kvanteutviklere at qubits i en kvantedatamaskin må samhandle bedre med hverandre for å dele minneinformasjon. Ny forskning fra universitetet i Innsbruck foreslår en ny arkitektur for en kvantedatamaskin. Denne arkitekturen, kalt LHZ-arkitektur etter forskerne Wolfgang Lechner, Phillip Hauke og Peter Zoller, er designet spesielt for optimalisering, men kan også utføre paritetsoperasjoner og feilretting. Arkitekturen lar disse prosessene skje ettersom de fysiske qubitene er kodet for koordinering mellom bitene i stedet for for selve qubitene.
"LHZ-arkitekturen er en kvantearkitektur som lar oss kode optimaliseringsproblemer for en kvantedatamaskin på en måte som ikke krever vanskelige langdistanseinteraksjoner når vi løser dem," forklarte Ph.D. forsker Michael Fellner fra Lechners forskningsgruppe. "Dette er forskjellig fra konvensjonelle tilnærminger som ofte krever store overhead i portressurser for disse interaksjonene. For å redusere denne overheaden er den implementerte arkitekturen sammenkoblet betydelig. Dette lar LHZ-arkitekturen utføre paritetsprosesser. "I stedet for å kode hver bitvariabel direkte i en kvantebit (qubit), representerer qubitene i LHZ-arkitekturen forskjellen ("paritet") mellom to eller flere levedyktige, noe som forenkler implementeringen av visse kvantealgoritmer," la Fellner til. Ved å kode qubits med denne pariteten, reduseres antallet qubits som trengs for kvanteberegning, noe som muliggjør en enklere metode for skalerbarhet og implementeringer og til og med foreslå en mulig måte å gjøre disse maskinene mer mobile.
Jakten på paritet
Ideen om paritet på en kvantedatamaskin er faktisk ikke nytt. Som Fellner forklarte: "Eksisterende kvantedatamaskiner implementerer allerede slike operasjoner veldig bra i liten skala. Men etter hvert som antallet qubits øker, blir det mer og mer komplekst å implementere disse portoperasjonene.» Ved utformingen av LHZ-arkitekturen planla Innsbruck-forskerne for dette mulige problemet ved å programmere qubits på en annen måte enn en typisk kvantedatamaskin. "Ved å utnytte det faktum at qubits i paritetsarkitekturen koder for den relative parten til flere 'standard' qubits., kan den implementere noen kvanteoperasjoner på en enklere måte," la Fellner til. "I vårt siste arbeid har vi vist at det er mulig å konstruere et sett med porter som er universelle, dvs. lar en implementere en hvilken som helst algoritme." Denne typen universelle kvantedatamaskiner antyder store implikasjoner for kvantedataindustrien og kan bidra til å akselerere utviklingen. "På toppen av det," sa Fellner, "kan man utnytte overheaden i antall qubits for å oppdage og korrigere kvantefeil som kan oppstå under beregningen."
Bruke LHZ-arkitektur for å redusere feilretting
På grunn av deres mottakelighet for støy, kan kvantedatamaskiner bli ganske feilutsatte. Flere forskjellige metoder blir testet som måter å redusere feilretting på, og Innsbruck-forskerne mener at LHZ-arkitekturen kan hjelpe med denne prosessen. "Kvantefeil kan klassifiseres i to typer, såkalte bit-flip-feil og fase-flip-feil," sa Fellner. LHZ-arkitekturen er designet for å korrigere begge. Én type feil, (enten bitflip eller fasefeil) forhindres av maskinvaren som brukes," la Innsbruck-forskerne Annette Messinger og Killian Ender til. "Den andre typen feil kan oppdages og korrigeres via programvaren." Med en robust metode for feilretting og skalerbarhet, vil det ikke være noen overraskelse å se LHZ-arkitektur begynner å bli implementert.
Allerede ringte spin-off-selskapet som ble grunnlagt av Lechner og Magdalena Hauser ParitetQC, jobber med forskere ved Innsbruck og andre steder for å prøve å bruke denne nye arkitekturen.
Kenna Hughes-Castleberry er stabsskribent ved Inside Quantum Technology og Science Communicator ved JILA (et partnerskap mellom University of Colorado Boulder og NIST). Skriverytmene hennes inkluderer dypteknologi, metaverset og kvanteteknologi.
