By Kenny Hughes-Castleberry wysłano 24 listopada 2022 r
Ze względu na swoją kruchość i podatność na hałas, komputery kwantowe przed nimi jeszcze długa droga, zanim będą mogły być powszechnie stosowane. Jedno z głównych wyzwań w rozwoju tej technologii wiąże się z jej architekturą. Jak już wielu inżynierów odkryło, kubity w komputerze kwantowym działają jednocześnie jako jednostka pamięci i jednostka obliczeniowa. Stwarza to ograniczenia w zakresie możliwości technologii, ponieważ pamięci kwantowych nie można skopiować, a zatem nie można ich przechowywać w klasycznym komputerze. Z powodu tego ograniczenia wielu programistów kwantowych twierdzi, że kubity w komputerze kwantowym muszą lepiej ze sobą współdziałać, aby dzielić się informacjami o pamięci. Nowe badania z University of Innsbruck sugeruje nową architekturę komputera kwantowego. Ta architektura, nazwana architekturą LHZ na cześć badaczy Wolfganga Lechnera, Phillipa Hauke i Petera Zollera, została zaprojektowana specjalnie do optymalizacji, ale może również wykonywać operacje parzystości i korekcję błędów. Architektura umożliwia zachodzenie tych procesów, ponieważ kubity fizyczne są kodowane w celu koordynacji między bitami, a nie samych kubitów.
„Architektura LHZ to architektura kwantowa, która pozwala nam kodować problemy optymalizacyjne dla komputera kwantowego w sposób, który nie wymaga przy ich rozwiązywaniu trudnych interakcji dalekiego zasięgu” – wyjaśnił dr hab. badacz Michael Felner grupy badawczej Lechnera. „Różni się to od konwencjonalnych podejść, które często wymagają dużych narzutów w zasobach bramek dla tych interakcji. Aby zmniejszyć ten narzut, zaimplementowana architektura jest znacznie sparowana. Pozwala to architekturze LHZ na wykonywanie procesów parzystości. „Zamiast kodować każdą zmienną bitową bezpośrednio w kwantowym bicie (kubicie), kubity w architekturze LHZ reprezentują różnicę („parzystość”) między dwoma lub więcej żywotnymi, co upraszcza implementację niektórych algorytmów kwantowych” – dodał Fellner. Dzięki kodowaniu kubitów z tą parzystością zmniejsza się liczba kubitów potrzebnych do obliczeń kwantowych, umożliwiając łatwiejszą metodę skalowalności i implementacji, a nawet sugerując możliwy sposób uczynienia tych maszyn bardziej mobilnymi.
Pogoń za parytetem
Idea parytet na komputerze kwantowym nie jest właściwie nowy. Jak wyjaśnił Fellner: „Istniejące komputery kwantowe już teraz bardzo dobrze realizują takie operacje na małą skalę. Jednak wraz ze wzrostem liczby kubitów implementacja tych operacji bramkowych staje się coraz bardziej skomplikowana”. Projektując architekturę LHZ, naukowcy z Innsbrucku zaplanowali ten możliwy problem, programując swoje kubity w inny sposób niż typowy komputer kwantowy. „Wykorzystując fakt, że kubity w architekturze parzystości kodują względną partię wielu„ standardowych ”kubitów, może w prostszy sposób realizować niektóre operacje kwantowe” – dodał Fellner. „W naszej ostatniej pracy pokazaliśmy, że możliwe jest zbudowanie zestawu bramek, który jest uniwersalny, czyli pozwala na implementację dowolnego algorytmu.” Ten typ uniwersalnego komputera kwantowego sugeruje duże implikacje dla branży komputerów kwantowych i może pomóc przyspieszyć jej rozwój. „Co więcej”, stwierdził Fellner, „można wykorzystać narzut związany z liczbą kubitów do wykrywania i korygowania błędów kwantowych, które mogą wystąpić podczas obliczeń”.
Wykorzystanie architektury LHZ do ograniczania korekcji błędów
Ze względu na ich podatność na szum komputery kwantowe mogą stać się raczej podatne na błędy. Kilka różnych metod jest testowanych jako sposoby ograniczania korekcji błędów, a naukowcy z Innsbrucku uważają, że architektura LHZ może pomóc w tym procesie. „Błędy kwantowe można podzielić na dwa typy, tak zwane błędy odwrócenia bitów i błędy odwrócenia fazy” – stwierdził Fellner. Architektura LHZ została zaprojektowana tak, aby korygować oba te elementy. Zastosowany sprzęt zapobiega jednemu rodzajowi błędu (odwrócenie bitu lub błąd fazy)” – dodali badacze z Innsbrucku, Annette Messinger i Killian Ender. „Inny rodzaj błędu można wykryć i skorygować za pomocą oprogramowania.” Dzięki solidnej metodzie korekcji błędów i skalowalności nie będzie niespodzianką rozpoczęcie wdrażania architektury LHZ.
Już firma spin-off współzałożona przez Lechnera i Magdalenę Hauser, tzw Parzystość QC, współpracuje z naukowcami z Innsbrucku i innych miejsc, aby spróbować wykorzystać tę nową architekturę.
Kenna Hughes-Castleberry jest pisarzem personelu w Inside Quantum Technology i Science Communicator w JILA (partnerstwo między University of Colorado Boulder i NIST). Jej pisarskie bity obejmują deep tech, metaverse i technologię kwantową.