By Kenna Hughes-Castleberry postat pe 24 noiembrie 2022
Datorită fragilității și sensibilității lor la zgomot, calculatoare cuantice mai au mult de parcurs înainte ca acestea să poată fi utilizate pe scară largă. Una dintre principalele provocări în dezvoltarea acestei tehnologii ține de arhitectura acesteia. După cum au descoperit deja mulți ingineri, qubiti în interiorul computerului cuantic acționează atât ca unitate de memorie, cât și ca unitate de calcul în același timp. Acest lucru creează limite pentru ceea ce poate face tehnologia, deoarece amintirile cuantice nu pot fi copiate și, prin urmare, nu pot fi stocate într-un computer clasic. Din cauza acestei limitări, mulți dezvoltatori cuantici presupun că qubiții dintr-un computer cuantic trebuie să interacționeze mai bine între ei pentru a partaja informațiile de memorie. Noi cercetări de la Universitatea din Innsbruck sugerează o nouă arhitectură pentru un computer cuantic. Această arhitectură, numită arhitectură LHZ după cercetătorii Wolfgang Lechner, Phillip Hauke și Peter Zoller, este concepută special pentru optimizare, dar poate efectua și operațiuni de paritate și corectarea erorilor. Arhitectura permite acestor procese să se întâmple pe măsură ce qubiții fizici sunt codificați pentru coordonarea între biți în loc de pentru qubiții efectivi.
„Arhitectura LHZ este o arhitectură cuantică care ne permite să codificăm probleme de optimizare pentru un computer cuantic într-un mod care nu necesită interacțiuni dificile pe distanță lungă atunci când le rezolvăm”, a explicat Ph.D. cercetător Michael Fellner al grupului de cercetare a lui Lechner. „Acest lucru este diferit de abordările convenționale care necesită adesea o suprasolicitare mare în resursele de poartă pentru aceste interacțiuni. Pentru a reduce această suprasarcină, arhitectura implementată este asociată semnificativ. Acest lucru permite arhitecturii LHZ să efectueze procese de paritate. „În loc să codifice fiecare variabilă de bit direct într-un bit cuantic (qubit), qubiții din arhitectura LHZ reprezintă diferența („paritatea”) între două sau mai multe viabile, ceea ce simplifică implementarea anumitor algoritmi cuantici”, a adăugat Fellner. Prin codificarea qubiților cu această paritate, numărul de qubiți necesar pentru calculul cuantic scade, permițând o metodă mai ușoară de scalabilitate și implementări și chiar sugerând o posibilă modalitate de a face aceste mașini mai mobile.
Căutarea parității
Ideea de paritate pe un computer cuantic nu este de fapt nou. După cum a explicat Fellner: „Calculatoarele cuantice existente implementează deja astfel de operațiuni foarte bine la scară mică. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul de qubiți crește, devine din ce în ce mai complex să implementați aceste operațiuni de poartă.” În proiectarea arhitecturii LHZ, cercetătorii de la Innsbruck au planificat această posibilă problemă prin programarea qubiților lor într-un mod diferit decât un computer cuantic tipic. „Prin exploatarea faptului că qubiții din Arhitectura de paritate codifică partea relativă a mai multor qubiți „standard”, poate implementa unele operații cuantice într-un mod mai simplu”, a adăugat Fellner. „În munca noastră recentă, am arătat că este posibil să construim un set de porți universale, adică să permită implementarea oricărui algoritm.” Acest tip de computer cuantic universal sugerează implicații mari pentru industria de calcul cuantic și poate ajuta la accelerarea dezvoltării acestuia. „Pe lângă asta”, a spus Fellner, „se poate exploata supraîncărcarea în numărul de qubiți pentru a detecta și corecta erorile cuantice care ar putea apărea în timpul calculului”.
Utilizarea arhitecturii LHZ pentru a atenua corectarea erorilor
Din cauza susceptibilității lor la zgomot, calculatoarele cuantice pot deveni mai degrabă predispuse la erori. Mai multe metode diferite sunt testate ca modalități de a atenua corectarea erorilor, iar cercetătorii de la Innsbruck cred că arhitectura LHZ poate ajuta la acest proces. „Erorile cuantice pot fi clasificate în două tipuri, așa-numitele erori de inversare a biților și erori de inversare a fazei”, a declarat Fellner. Arhitectura LHZ este concepută pentru a le corecta pe ambele. Un tip de eroare (fie flip bit sau fază) este prevenit de hardware-ul utilizat”, au adăugat cercetătorii de la Innsbruck Annette Messinger și Killian Ender. „Celălalt tip de eroare poate fi detectat și corectat prin intermediul software-ului.” Cu o metodă robustă de corectare a erorilor și scalabilitate, nu va fi nicio surpriză să vedem că arhitectura LHZ începe să fie implementată.
Deja a sunat compania spin-off co-fondată de Lechner și Magdalena Hauser ParityQC, lucrează cu cercetători de la Innsbruck și din alte părți pentru a încerca să folosească această nouă arhitectură.
Kenna Hughes-Castleberry este scriitoare la Inside Quantum Technology și Science Communicator la JILA (un parteneriat între Universitatea din Colorado Boulder și NIST). Bataile ei de scris includ tehnologia profundă, metaversul și tehnologia cuantică.
