Вычислительная мощность квантовых машин невелика, и ее увеличение может оказаться сложной задачей. Физики из Университета Инсбрука представили новую архитектуру универсального квантового компьютера , которая преодолевает такие ограничения и может стать основой квантовых компьютеров следующего поколения.
Квантовые биты (кубиты) в квантовом компьютере служат одновременно вычислительной единицей и памятью. Поскольку квантовую информацию нельзя скопировать, ее нельзя сохранить в памяти, как в классическом компьютере. Из-за этого ограничения все кубиты в квантовом компьютере должны иметь возможность взаимодействовать друг с другом; это по-прежнему представляет собой проблему для создания мощных квантовых компьютеров. В 2015 году физик-теоретик Вольфганг Лехнер вместе с Филиппом Хауке и Петером Золлером предложили новую архитектуру для квантового компьютера, которая теперь называется архитектурой LHZ в честь авторов. По словам Лехнера, архитектура изначально была разработана для задач оптимизации, но в процессе физики сократили архитектуру до минимума, чтобы максимально эффективно решать эти задачи оптимизации. Физические кубиты в этой архитектуре не представляют отдельные биты, а кодируют относительную координацию между битами. «Это означает, что не все кубиты больше должны взаимодействовать друг с другом», — сказал Лехнер.
Лехнер показал, что эта концепция четности подходит и для универсального квантового компьютера. Компьютеры четности могут выполнять операции между двумя или более кубитами на одном кубите. «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», — сказал Майкл Феллнер, один из ученых в команде Лехнера.
В двух публикациях в Physical Review Letters и Physical Review ученые из Инсбрука показали, что компьютеры четности могут, например, выполнять квантовые преобразования Фурье — фундаментальный строительный блок многих квантовых алгоритмов — с меньшим количеством шагов вычислений и, следовательно, быстрее. «Высокий параллелизм нашей архитектуры означает, что, например, известный алгоритм Шора для факторизации чисел может выполняться очень эффективно», — сказал Фелльнер.
Новая концепция также предлагает эффективное аппаратное исправление ошибок; поскольку квантовые системы очень чувствительны к помехам, квантовые компьютеры должны постоянно исправлять ошибки. Значительные ресурсы должны быть направлены на защиту квантовой информации, что увеличивает количество требуемых кубитов. Анетт Мессингер, член команды из Инсбрука, сказала, что их модель работает с двухэтапной коррекцией ошибок, при этом один тип ошибки (ошибка переключения битов или фазовая ошибка) предотвращается используемым оборудованием.
Команда из Инсбрука занимается первоначальным экспериментальным подходом к этому на разных платформах. «Ошибки другого типа можно обнаружить и исправить с помощью программного обеспечения», — сказал Мессингер. Это позволит реализовать следующее поколение универсальных квантовых компьютеров с управляемыми усилиями. Дочерняя компания ParityQC , соучредителями которой являются Лехнер и Магдалена Хаузер, также работает в Инсбруке с партнерами из науки и промышленности над возможным внедрением новой модели
