通用奇偶校驗量子計算一種克服性能限制的新架構(gòu)

量子機(jī)器的計算能力目前還很低。提高性能是一項重大挑戰(zhàn)。奧地利因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)家現(xiàn)在提出了一種通用量子計算機(jī)的新架構(gòu)，該架構(gòu)克服了這些限制，并可能很快成為下一代量子計算機(jī)的基礎(chǔ)。

量子計算機(jī)中的量子比特(qubits)同時作為計算單元和內(nèi)存。因為量子信息不能被復(fù)制，它不能像經(jīng)典計算機(jī)那樣存儲在內(nèi)存中。由于這個限制，量子計算機(jī)中的所有量子比特必須能夠相互交互。

目前這仍然是構(gòu)建強(qiáng)大的量子計算機(jī)的主要挑戰(zhàn)。2015年，理論物理學(xué)家WolfgangLechner與PhilippHauke和PeterZoller一起解決了這一難題，并提出了一種新的量子計算機(jī)架構(gòu)，現(xiàn)在以作者的名字命名為LHZ架構(gòu)。

“這種架構(gòu)最初是為優(yōu)化問題而設(shè)計的，”奧地利因斯布魯克大學(xué)理論物理系的WolfgangLechner說。“在此過程中，我們將架構(gòu)減少到最低限度，以便盡可能高效地解決這些優(yōu)化問題。”

該架構(gòu)中的物理量子比特不代表單個比特，而是編碼比特之間的相對協(xié)調(diào)。“這意味著并非所有的量子比特都必須相互交互，”WolfgangLechner解釋道。他和他的團(tuán)隊現(xiàn)在已經(jīng)證明，這種奇偶性概念也適用于通用量子計算機(jī)。

復(fù)雜的操作被簡化

奇偶校驗計算機(jī)可以在單個量子位上的兩個或多個量子位之間執(zhí)行操作。WolfgangLechner團(tuán)隊的MichaelFellner解釋說：“現(xiàn)有的量子計算機(jī)已經(jīng)在小范圍內(nèi)很好地實現(xiàn)了此類操作。”“然而，隨著量子比特數(shù)量的增加，實現(xiàn)這些門操作變得越來越復(fù)雜。”

在《物理評論快報》和《物理評論A》的兩篇出版物中，因斯布魯克的科學(xué)家們現(xiàn)在表明，奇偶校驗計算機(jī)可以執(zhí)行量子傅里葉變換——許多量子算法的基本組成部分——計算步驟顯著減少，因此速度更快。Fellner解釋說：“我們架構(gòu)的高度并行性意味著，例如，眾所周知的用于因數(shù)分解的Shor算法可以非常有效地執(zhí)行。”

兩級糾錯

新概念還提供硬件高效的糾錯。因為量子系統(tǒng)對干擾非常敏感，所以量子計算機(jī)必須不斷地糾正錯誤。必須投入大量資源來保護(hù)量子信息，這大大增加了所需的量子比特數(shù)量。“我們的模型采用兩階段糾錯操作，使用的硬件可以防止一種錯誤(位翻轉(zhuǎn)錯誤或相位錯誤)，”AnetteMessinger和KilianEnder寫道，他們也是因斯布魯克研究團(tuán)隊的成員。

在不同的平臺上已經(jīng)有初步的實驗方法。“其他類型的錯誤可以通過軟件檢測和糾正，”梅辛格和恩德說。這將使下一代通用量子計算機(jī)能夠以可控的努力實現(xiàn)。

由WolfgangLechner和MagdalenaHauser共同創(chuàng)立的衍生公司ParityQC已經(jīng)在因斯布魯克與來自科學(xué)和工業(yè)界的合作伙伴就新模型的可能實施進(jìn)行合作。

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