By Kenna Hughes-Castleberry objavljeno 24. novembra 2022
Zaradi njihove krhkosti in občutljivosti na hrup, kvantni računalniki je še dolga pot do njihove širše uporabe. Eden glavnih izzivov pri razvoju te tehnologije je povezana z njeno arhitekturo. Kot so ugotovili že številni inženirji, je qubits znotraj kvantnega računalnika deluje kot pomnilniška in računalniška enota hkrati. To ustvarja omejitve glede tega, kaj tehnologija lahko naredi, saj kvantnih spominov ni mogoče kopirati in jih zato ni mogoče shraniti v klasični računalnik. Zaradi te omejitve mnogi kvantni razvijalci trdijo, da morajo kubiti v kvantnem računalniku medsebojno bolje komunicirati, da lahko delijo informacije o pomnilniku. Nove raziskave z Univerze v Ljubljani Innsbruck predlaga novo arhitekturo za kvantni računalnik. Ta arhitektura, imenovana arhitektura LHZ po raziskovalcih Wolfgangu Lechnerju, Phillipu Haukeju in Petru Zollerju, je zasnovana posebej za optimizacijo, lahko pa izvaja tudi paritetne operacije in popravljanje napak. Arhitektura omogoča izvajanje teh procesov, saj so fizični kubiti kodirani za koordinacijo med biti namesto za dejanske kubite same.
"Arhitektura LHZ je kvantna arhitektura, ki nam omogoča kodiranje optimizacijskih problemov za kvantni računalnik na način, ki pri njihovem reševanju ne zahteva težkih interakcij na dolge razdalje," je pojasnil dr. raziskovalec Michael Fellner Lechnerjeve raziskovalne skupine. »To se razlikuje od običajnih pristopov, ki pogosto zahtevajo velike režijske stroške v virih vrat za te interakcije. Da bi zmanjšali te dodatne stroške, je implementirana arhitektura znatno zmanjšana. To omogoča arhitekturi LHZ izvajanje paritetnih procesov. "Namesto kodiranja vsake bitne spremenljivke neposredno v kvantnem bitu (qubit), kubiti v arhitekturi LHZ predstavljajo razliko ("pariteto") med dvema ali več sposobnostmi preživetja, kar poenostavlja implementacijo določenih kvantnih algoritmov," je dodal Fellner. S kodiranjem kubitov s to pariteto se število kubitov, potrebnih za kvantno računalništvo, zmanjša, kar omogoča lažjo metodo za razširljivost in implementacije ter celo predlaga možen način, kako narediti te stroje bolj mobilne.
Prizadevanje za pariteto
Ideja o pariteta na kvantnem računalniku pravzaprav ni novost. Kot je pojasnil Fellner: »Obstoječi kvantni računalniki že zelo dobro izvajajo takšne operacije v majhnem obsegu. Ko pa se število kubitov povečuje, postaja izvajanje teh vratnih operacij čedalje bolj zapleteno.« Pri načrtovanju arhitekture LHZ so raziskovalci iz Innsbrucka to možno težavo načrtovali tako, da so svoje kubite programirali na drugačen način kot tipičen kvantni računalnik. »Z izkoriščanjem dejstva, da kubiti v paritetni arhitekturi kodirajo relativno skupino več 'standardnih' kubitov, lahko izvaja nekatere kvantne operacije na preprostejši način,« je dodal Fellner. "V našem nedavnem delu smo pokazali, da je mogoče sestaviti nabor vrat, ki je univerzalen, kar pomeni, da omogoča implementacijo katerega koli algoritma." Ta vrsta univerzalnega kvantnega računalnika nakazuje velike posledice za industrijo kvantnega računalništva in lahko pomaga pospešiti njen razvoj. "Poleg tega," je izjavil Fellner, "je mogoče izkoristiti režijske stroške v številu kubitov za odkrivanje in popravljanje kvantnih napak, ki se lahko pojavijo med računanjem."
Uporaba arhitekture LHZ za ublažitev popravljanja napak
Zaradi svoje dovzetnosti za hrup lahko kvantni računalniki postanejo precej nagnjeni k napakam. Preizkuša se več različnih metod za ublažitev popravljanja napak in raziskovalci iz Innsbrucka verjamejo, da lahko arhitektura LHZ pomaga pri tem procesu. "Kvantne napake lahko razvrstimo v dve vrsti, tako imenovane bit-flip napake in fazne napake," je dejal Fellner. Arhitektura LHZ je zasnovana tako, da popravi oboje. Eno vrsto napake (bodisi obračanje bitov ali fazno napako) prepreči uporabljena strojna oprema,« sta dodala raziskovalca iz Innsbrucka Annette Messinger in Killian Ender. "Drugo vrsto napake je mogoče zaznati in popraviti s programsko opremo." Z robustno metodo za odpravo napak in razširljivostjo ne bo presenetljivo, da se začne uvajati arhitektura LHZ.
Poklicalo je že odcepljeno podjetje, ki sta ga soustanovila Lechner in Magdalena Hauser ParityQC, sodeluje z raziskovalci v Innsbrucku in drugod, da bi poskusil uporabiti to novo arhitekturo.
Kenna Hughes-Castleberry je zaposlena pisateljica pri Inside Quantum Technology in znanstveni komunikator pri JILA (partnerstvo med Univerzo Colorado Boulder in NIST). Njeni utripi pisanja vključujejo globoko tehnologijo, metaverzum in kvantno tehnologijo.
