Universal paritet kvantedatabehandling, en ny arkitektur som overvinner ytelsesbegrensninger

Datakraften til kvantemaskiner er for tiden fortsatt svært lav. Å øke ytelsen er en stor utfordring. Fysikere ved Universitetet i Innsbruck, Østerrike, presenterer nå en ny arkitektur for en universell kvantedatamaskin som overvinner slike begrensninger og kan være grunnlaget for neste generasjon kvantedatamaskiner snart.

Kvantebiter (qubits) i en kvantedatamaskin fungerer som en dataenhet og minne på samme tid. Fordi kvanteinformasjon ikke kan kopieres, kan den ikke lagres i minnet som i en klassisk datamaskin. På grunn av denne begrensningen må alle qubits i en kvantedatamaskin være i stand til å samhandle med hverandre.

Dette er for tiden fortsatt en stor utfordring for å bygge kraftige kvantedatamaskiner. I 2015 tok teoretisk fysiker Wolfgang Lechner sammen med Philipp Hauke ​​og Peter Zoller opp denne vanskeligheten og foreslo en ny arkitektur for en kvantedatamaskin, nå kalt LHZ-arkitektur etter forfatterne.

“Denne arkitekturen ble opprinnelig designet for optimaliseringsproblemer,” sier Wolfgang Lechner ved Institutt for teoretisk fysikk ved Universitetet i Innsbruck, Østerrike. “I prosessen reduserte vi arkitekturen til et minimum for å løse disse optimaliseringsproblemene så effektivt som mulig.”

De fysiske qubitene i denne arkitekturen representerer ikke individuelle biter, men koder for den relative koordinasjonen mellom bitene. “Dette betyr at ikke alle qubits trenger å samhandle med hverandre lenger,” forklarer Wolfgang Lechner. Med teamet sitt har han nå vist at dette paritetskonseptet også egner seg for et universelt kvante datamaskin.

Komplekse operasjoner forenkles

Paritetsdatamaskiner kan utføre operasjoner mellom to eller flere qubits på en enkelt qubit. “Eksisterende kvantedatamaskiner implementerer allerede slike operasjoner veldig bra i liten skala,” forklarer Michael Fellner fra Wolfgang Lechners team. “Men når antallet qubits øker, blir det mer og mer komplekst å implementere disse portoperasjonene.”

I to publikasjoner i Fysiske gjennomgangsbrev og Fysisk gjennomgang A, viser Innsbruck-forskerne nå at paritetsdatamaskiner kan for eksempel utføre kvante-fourier-transformasjoner – en grunnleggende byggestein for mange kvantealgoritmer – med betydelig færre beregningstrinn og dermed raskere. “Den høye parallelliteten til vår arkitektur betyr at for eksempel den velkjente Shor-algoritmen for faktoring av tall kan utføres veldig effektivt,” forklarer Fellner.

To-trinns feilretting

Det nye konseptet tilbyr også maskinvareeffektivt feil korreksjon. Fordi kvantesystemer er svært følsomme for forstyrrelser, må kvantedatamaskiner korrigere feil kontinuerlig. Det må settes av betydelige ressurser til å beskytte kvanteinformasjonnoe som øker antallet betraktelig qubits nødvendig. “Vår modell opererer med en to-trinns feilretting, én type feil (bitflip-feil eller fasefeil) forhindres av maskinvaren som brukes,” skriver Anette Messinger og Kilian Ender, også medlemmer av forskningsteamet i Innsbruck.

Det er allerede innledende eksperimentelle tilnærminger for dette på forskjellige plattformer. “Den andre typen feil kan oppdages og korrigeres via programvaren,” sier Messinger og Ender. Dette vil tillate en neste generasjon universelle kvantedatamaskiner å bli realisert med håndterlig innsats.

Spin-off-selskapet ParityQC, medstiftet av Wolfgang Lechner og Magdalena Hauser, jobber allerede i Innsbruck med partnere fra vitenskap og industri om mulige implementeringer av den nye modellen.

---

---