Исследователи разработали новую конструкцию квантовой схемы, которая может снизить энергопотребление при вычислениях до 51 %. Команда исследователей объявила о значительном прогрессе в разработке квантовых схем, пообещав исправить одну из основных проблем вычислительной техники: экспоненциальное энергопотребление полупроводниковых квантовых компьютеров. В эту группу исследователей входят, в частности, представители факультета компьютерной инженерии Исламского университета Азад в Дезфуле (Иран), Немецкого исследовательского центра искусственного интеллекта (DFKI) в Бремене, Института компьютерных наук Бременского университета.
Как известно, современные компьютерные технологии сталкиваются с растущей проблемой: спрос на энергию для все более сложных устройств. На этом фоне исследование, опубликованное этой командой, предлагает инновационный подход к минимизации потерь энергии во время расчетов. Их конструкция основана на внедрении шести новых блоков построения схемы, получивших название «обратимые блоки с сохранением четности». Эти блоки предназначены для поддержания целостности информации на протяжении всех вычислений, гарантируя, что математические свойства входных и выходных данных остаются согласованными. Это прямое сохранение информации имеет решающее значение для решения проблемы потерь энергии в соответствии с принципом Ландауэра, который связывает вычисления с потерями энергии.
Как отмечается в исследовании, с недавней демонстрацией квантовых компьютеров интерес к области синтеза и оптимизации обратимой логики изменился. Поскольку каждая квантовая операция по своей сути обратима, существует огромная мотивация для изучения проектирования обратимых схем и их оптимизации. Когда дело доходит до неисправностей в цепях, функция сохранения четности помогает обнаруживать постоянные и временные неисправности. В случае обратимых цепей свойство сохранения четности гарантирует, что входные и выходные данные будут равны. В этой связи группа исследователей предлагает шесть обратимых блоков с сохранением четности (Z, F, A, T, S и L) с улучшенными квантовыми затратами. Обратимые блоки синтезируются с использованием существующего метода синтеза, который генерирует сетевой список вентилей Тоффоли с множественным управлением (MCT). На уровне обратимой схемы применяются различные правила оптимизации с последующим преобразованием в сетевой список элементарных квантовых элементов из библиотеки NCV. Предложены конструкции полного сумматора, а также беззнаковых и знакоподписанных умножителей с использованием функциональных блоков, обладающих свойствами сохранения четности.
Предложенные проекты сравниваются с современными методами и признаются лучшими с точки зрения стоимости реализации. Средняя экономия в 25,04 %, 20,89 %, 21,17 % и 51,03 %, а также 18,59 %, 13,82 %, 13,82 % и 27,65 % соответственно наблюдается для 4-разрядных множителей без знака и 5-разрядных множителей со знаком с точки зрения квантовой стоимости, вывода мусора, постоянного ввода и количества элементов в качестве по сравнению с недавними работами.
Как указывают исследователи, моделирование новых схем показало значительное повышение эффективности по сравнению с существующими методами. Исследователи сообщили о снижении квантовой стоимости на 25 %, что является показателем, отражающим сложность и требования к ресурсам квантовой схемы.
Хотя технология построения полностью обратимых логических схем еще не развита, исследователи уверены, что последние достижения в области квантовых вычислений повышают актуальность таких конструкций. Интеграция этих усовершенствованных схем в более сложные системы квантовых вычислений может произвести революцию в различных областях, таких как медицина, материаловедение и искусственный интеллект.
Исследовательская группа планирует интегрировать эти улучшенные схемы умножения в более сложные системы квантовых вычислений в своей будущей работе. «Наши будущие исследования будут направлены на интеграцию предложенной нами схемы обратимого квантового умножителя в комплексные конструкции аналогичных обратимых квантовых систем», - заключили исследователи.