By Кенна Хьюз-Кастлберри опубликовано 24 ноя 2022
Из-за своей хрупкости и восприимчивости к шуму, квантовые компьютеры еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут найти более широкое применение. Одна из основных проблем при разработке этой технологии связана с ее архитектурой. Как уже выяснили многие инженеры, кубиты в квантовом компьютере действуют как блок памяти и вычислительный блок одновременно. Это создает ограничения на то, что может сделать технология, поскольку квантовую память нельзя скопировать и, следовательно, нельзя хранить в классическом компьютере. Из-за этого ограничения многие квантовые разработчики утверждают, что кубиты в квантовом компьютере должны лучше взаимодействовать друг с другом, чтобы обмениваться информацией о памяти. Новое исследование из Университета Инсбрук предлагает новую архитектуру квантового компьютера. Эта архитектура, названная архитектурой LHZ в честь исследователей Вольфганга Лехнера, Филиппа Хауке и Петера Золлера, разработана специально для оптимизации, но также может выполнять операции четности и исправление ошибок. Архитектура позволяет этим процессам происходить, поскольку физические кубиты кодируются для координации между битами, а не для самих кубитов.
«Архитектура LHZ — это квантовая архитектура, которая позволяет нам кодировать задачи оптимизации для квантового компьютера таким образом, чтобы при их решении не требовалось сложных дальнодействующих взаимодействий», — пояснил доктор философии. Исследователь Майкл Феллнер исследовательской группы Лехнера. «Это отличается от традиционных подходов, которые часто требуют больших накладных расходов в ресурсах шлюза для этих взаимодействий. Чтобы уменьшить эти накладные расходы, реализованная архитектура значительно упрощена. Это позволяет архитектуре LHZ выполнять процессы контроля четности. «Вместо того, чтобы кодировать каждую битовую переменную непосредственно в квантовом бите (кубите), кубиты в архитектуре LHZ представляют собой разницу («четность») между двумя или более жизнеспособными объектами, что упрощает реализацию определенных квантовых алгоритмов», — добавил Феллнер. При кодировании кубитов с этой четностью количество кубитов, необходимых для квантовых вычислений, уменьшается, что позволяет упростить метод масштабирования и реализации и даже предлагает возможный способ сделать эти машины более мобильными.
Стремление к паритету
Идея соотношение на квантовом компьютере на самом деле не ново. Как объяснил Феллнер: «Существующие квантовые компьютеры уже очень хорошо реализуют такие операции в небольших масштабах. Однако по мере увеличения количества кубитов реализация этих операций с вентилями становится все более и более сложной». При разработке архитектуры LHZ исследователи из Инсбрука спланировали эту возможную проблему, запрограммировав свои кубиты иначе, чем обычный квантовый компьютер. «Используя тот факт, что кубиты в архитектуре четности кодируют относительную часть нескольких «стандартных» кубитов, можно упростить реализацию некоторых квантовых операций», — добавил Феллнер. «В нашей недавней работе мы показали, что можно построить универсальный набор вентилей, т. е. позволяющий реализовать любой алгоритм». Этот тип универсального квантового компьютера имеет большое значение для индустрии квантовых вычислений и может помочь ускорить ее развитие. «Кроме того, — заявил Фелльнер, — можно использовать накладные расходы, связанные с количеством кубитов, для обнаружения и исправления квантовых ошибок, которые могут возникнуть во время вычислений».
Использование архитектуры LHZ для смягчения последствий исправления ошибок
Из-за своей чувствительности к шуму квантовые компьютеры могут стать довольно подверженными ошибкам. В настоящее время тестируются несколько различных методов, позволяющих смягчить исправление ошибок, и исследователи из Инсбрука считают, что архитектура LHZ может помочь в этом процессе. «Квантовые ошибки можно разделить на два типа: так называемые ошибки переворота битов и ошибки переворота фазы», — заявил Фелльнер. Архитектура LHZ предназначена для исправления обоих. Один тип ошибки (переворот бита или фазовая ошибка) предотвращается используемым оборудованием», — добавили исследователи из Инсбрука Аннет Мессингер и Киллиан Эндер. «Ошибки другого типа можно обнаружить и исправить с помощью программного обеспечения». Благодаря надежному методу исправления ошибок и масштабируемости неудивительно, что архитектура LHZ начинает внедряться.
Уже дочерняя компания, основанная Лехнером и Магдаленой Хаузер, называлась ПаритетКК, работает с исследователями в Инсбруке и других местах, чтобы попытаться использовать эту новую архитектуру.
Кенна Хьюз-Кастлберри — штатный писатель Inside Quantum Technology и научный коммуникатор JILA (партнерство между Колорадским университетом в Боулдере и NIST). Ее писательские приемы включают в себя глубокие технологии, метавселенную и квантовые технологии.
