By Kenna Hughes-Castleberry postat 24 november 2022
På grund av deras bräcklighet och känslighet för buller, kvantdatorer har fortfarande en lång väg kvar innan de kan användas mer allmänt. En av de största utmaningarna med att utveckla denna teknik har att göra med dess arkitektur. Som många ingenjörer redan har funnit kvantbitar inom kvantdatorn fungerar både som en minnesenhet och en beräkningsenhet på samma gång. Detta skapar gränser för vad tekniken kan göra, eftersom kvantminnena inte går att kopiera och därmed inte kan lagras i en klassisk dator. På grund av denna begränsning hävdar många kvantutvecklare att qubits i en kvantdator måste interagera bättre med varandra för att dela minnesinformation. ny forskning från University of Innsbruck föreslår en ny arkitektur för en kvantdator. Denna arkitektur, kallad LHZ-arkitektur efter forskarna Wolfgang Lechner, Phillip Hauke och Peter Zoller, är designad specifikt för optimering men kan också utföra paritetsoperationer och felkorrigering. Arkitekturen tillåter dessa processer att ske eftersom de fysiska qubits kodas för koordinationen mellan bitar istället för för själva qubits.
"LHZ-arkitekturen är en kvantarkitektur som tillåter oss att koda optimeringsproblem för en kvantdator på ett sätt som inte kräver svåra långväga interaktioner när vi löser dem", förklarade Ph.D. forskare Michael Fellner av Lechners forskargrupp. "Detta skiljer sig från konventionella tillvägagångssätt som ofta kräver stora omkostnader i grindresurser för dessa interaktioner. För att minska denna omkostnad, paras den implementerade arkitekturen ner avsevärt. Detta gör att LHZ-arkitekturen kan utföra paritetsprocesser. "Istället för att koda varje bitvariabel direkt i en kvantbit (qubit), representerar kvantbitarna i LHZ-arkitekturen skillnaden ("paritet") mellan två eller flera livskraftiga, vilket förenklar implementeringen av vissa kvantalgoritmer," tillade Fellner. Genom att koda qubits med denna paritet, minskar antalet qubits som behövs för kvantberäkning, vilket möjliggör en enklare metod för skalbarhet och implementeringar och föreslår till och med ett möjligt sätt att göra dessa maskiner mer mobila.
Jakten på paritet
Idén om paritet på en kvantdator är faktiskt inte nytt. Som Fellner förklarade: "Befintliga kvantdatorer implementerar redan sådana operationer mycket bra i liten skala. Men när antalet qubits ökar, blir det mer och mer komplext att implementera dessa grindoperationer." Vid utformningen av LHZ-arkitekturen planerade Innsbruck-forskarna för detta möjliga problem genom att programmera sina qubits på ett annat sätt än en typisk kvantdator. "Genom att utnyttja det faktum att qubits i paritetsarkitekturen kodar den relativa parten av flera 'standard' qubits., kan den implementera vissa kvantoperationer på ett enklare sätt," tillade Fellner. "I vårt senaste arbete har vi visat att det är möjligt att konstruera en uppsättning grindar som är universella, dvs låter en implementera vilken algoritm som helst." Denna typ av universell kvantdator antyder stora konsekvenser för kvantdatorindustrin och kan hjälpa till att påskynda dess utveckling. "Utöver det," sa Fellner, "kan man utnyttja overheaden i antalet qubits för att upptäcka och korrigera kvantfel som kan uppstå under beräkningen."
Använda LHZ-arkitektur för att mildra felkorrigering
På grund av deras mottaglighet för brus kan kvantdatorer bli ganska felbenägna. Flera olika metoder testas som sätt att lindra felkorrigering och Innsbruck-forskarna tror att LHZ-arkitekturen kan hjälpa till med denna process. "Kvantumfel kan klassificeras i två typer, så kallade bit-flip-fel och phase-flip-fel," sa Fellner. LHZ-arkitekturen är utformad för att korrigera båda. En typ av fel (antingen bitflip eller fasfel) förhindras av den hårdvara som används”, tillade Innsbruck-forskarna Annette Messinger och Killian Ender. "Den andra typen av fel kan upptäckas och korrigeras via programvaran." Med en robust metod för felkorrigering och skalbarhet kommer det inte att vara någon överraskning att se LHZ-arkitektur börja implementeras.
Redan avknoppningsföretaget som Lechner och Magdalena Hauser grundade, ringde ParitetQC, arbetar med forskare vid Innsbruck och på andra håll för att försöka använda denna nya arkitektur.
Kenna Hughes-Castleberry är personalskribent på Inside Quantum Technology och Science Communicator vid JILA (ett partnerskap mellan University of Colorado Boulder och NIST). Hennes skrivbeats inkluderar djupteknologi, metaversen och kvantteknologi.