Нова форма універсальних квантових комп'ютерів

2 ноября 2022 г., 17:55

Обчислювальна потужність квантових машин наразі все ще дуже низька. Її збільшення є серйозною проблемою. Фізики з Університету Інсбрука зараз представляють нову архітектуру для універсального квантового комп’ютера, яка долає такі обмеження та незабаром може стати основою наступного покоління квантових комп’ютерів.

Квантові біти (кубіти) у квантовому комп’ютері служать обчислювальним блоком і пам’яттю одночасно. Оскільки квантову інформацію неможливо скопіювати, вона не може зберігатися в пам’яті, як у класичному комп’ютері. Через це обмеження всі кубіти в квантовому комп’ютері повинні мати можливість взаємодіяти один з одним. Зараз це все ще є серйозною проблемою для створення потужних квантових комп’ютерів. У 2015 році фізик-теоретик Вольфганг Лехнер (Wolfgang Lechner) разом із Філіпом Хауке (Philipp Hauke) та Пітером Цоллером (Peter Zoller) звернулися до цієї проблеми та запропонували нову архітектуру для квантового комп’ютера, яка тепер називається архітектурою LHZ на честь авторів. «Ця архітектура спочатку була розроблена для задач оптимізації, — згадує Вольфганг Лехнер з кафедри теоретичної фізики Університету Інсбрука, Австрія. - У процесі ми скоротили архітектуру до мінімуму, щоб вирішити ці проблеми оптимізації якомога ефективніше». Фізичні кубіти в цій архітектурі не представляють окремі біти, а кодують відносну координацію між бітами. «Це означає, що не всі кубіти більше повинні взаємодіяти один з одним», — пояснює Вольфганг Лехнер. Разом зі своєю командою він тепер показав, що ця концепція парності також підходить для універсального квантового комп’ютера.

Комп’ютери парності можуть виконувати операції між двома або більше кубітами на одному кубіті. «Існуючі квантові комп’ютери вже дуже добре реалізують такі операції в невеликих масштабах, — пояснює Мікаель Фелнер (Michael Fellner) з команди Вольфганга Лехнера. - Однак зі збільшенням кількості кубітів стає все складніше реалізувати ці вентильні операції». У двох публікаціях у Physical Review Letters і Physical Review A вчені з Інсбрука тепер показують, що комп’ютери з парністю можуть, наприклад, виконувати квантові перетворення Фур’є – фундаментальний будівельний блок багатьох квантових алгоритмів – зі значно меншою кількістю кроків обчислення і, отже, швидше. «Високий паралелізм нашої архітектури означає, що, наприклад, добре відомий алгоритм Шора для факторизації чисел може бути виконаний дуже ефективно», — пояснює Феллнер.

Нова концепція також пропонує ефективне апаратне виправлення помилок. Оскільки квантові системи дуже чутливі до збурень, квантові комп’ютери повинні постійно виправляти помилки. Значні ресурси повинні бути спрямовані на захист квантової інформації, що значно збільшує кількість необхідних кубітів. «Наша модель працює з двоетапною корекцією помилок, один тип помилки (помилка перевороту біта або помилка фази) запобігає використовуваному апаратному забезпеченню», — кажуть Анетт Мессінгер (Anette Messinger) і Кіліан Ендер (Kilian Ender), також члени дослідницької групи в Інсбруку. Для цього вже існують початкові експериментальні підходи на різних платформах. «Інший тип помилки можна виявити та виправити за допомогою програмного забезпечення», — кажуть Мессінгер та Ендер. Це дозволить реалізувати наступне покоління універсальних квантових комп’ютерів з керованими зусиллями.

Відокремлена компанія ParityQC, співзасновниками якої є Вольфганг Лехнер і Магдалена Хаузер, уже працює в Інсбруку з партнерами з науки та промисловості над можливими впровадженнями нової моделі.