Квантовые биты (кубиты) в квантовом компьютере служат одновременно вычислительной единицей и памятью. Поскольку квантовая информация не может быть скопирована, ее нельзя хранить в памяти, как в классическом компьютере. Из-за этого ограничения все кубиты в квантовом компьютере должны иметь возможность взаимодействовать друг с другом. В настоящее время это все еще остается серьезной проблемой для создания мощных квантовых компьютеров. В 2015 году физик-теоретик Вольфганг Лехнер вместе с Филиппом Хауке и Питером Цоллером решили эту проблему и предложили новую архитектуру для квантового компьютера, которая теперь называется LHZ architecture в честь авторов.

"Эта архитектура изначально была разработана для задач оптимизации", - вспоминает Вольфганг Лехнер с кафедры теоретической физики Университета Инсбрука, Австрия. "В процессе мы сократили архитектуру до минимума, чтобы решить эти проблемы оптимизации как можно эффективнее". Физические кубиты в этой архитектуре не представляют отдельные биты, а кодируют относительную координацию между битами. "Это означает, что больше не все кубиты должны взаимодействовать друг с другом", - объясняет Вольфганг Лехнер. Со своей командой он теперь показал, что эта концепция четности также подходит для универсального квантового компьютера.

Сложные операции упрощаются

Компьютеры с четностью могут выполнять операции между двумя или более кубитами на одном кубите. "Существующие квантовые компьютеры уже очень хорошо реализуют такие операции в небольших масштабах", - объясняет Майкл Феллнер из команды Вольфганга Лехнера. "Однако, по мере увеличения количества кубитов, становится все более и более сложным реализовать эти операции затвора". В двух публикациях в Письма с физическим обзором и Физический осмотр A Ученые из Инсбрука теперь показывают, что компьютеры с четностью могут, например, выполнять квантовые преобразования Фурье - фундаментальный строительный блок многих квантовых алгоритмов - со значительно меньшим количеством вычислительных шагов и, следовательно, быстрее. "Высокий параллелизм нашей архитектуры означает, что, например, хорошо известный алгоритм Шора для разложения чисел на множители может быть выполнен очень эффективно", - объясняет Феллнер.

Двухэтапное исправление ошибок

Новая концепция также предлагает аппаратно-эффективное исправление ошибок. Поскольку квантовые системы очень чувствительны к возмущениям, квантовые компьютеры должны постоянно исправлять ошибки. Значительные ресурсы должны быть направлены на защиту квантовой информации, что значительно увеличивает количество требуемых кубитов. "Наша модель работает с двухступенчатой коррекцией ошибок, один тип ошибки (ошибка переворота битов или ошибка фазы) предотвращается используемым оборудованием", - говорят Анетт Мессингер и Килиан Эндер, также члены исследовательской группы в Инсбруке. Для этого уже существуют первоначальные экспериментальные подходы на разных платформах. "Другой тип ошибок может быть обнаружен и исправлен с помощью программного обеспечения", - говорят Мессингер и Эндер. Это позволило бы реализовать следующее поколение универсальных квантовых компьютеров с приемлемыми усилиями. Дочерняя компания ParityQC, соучредителями которой являются Вольфганг Лехнер и Магдалена Хаузер, уже работает в Инсбруке с партнерами из науки и промышленности над возможным внедрением новой модели.

Исследование в Университете Инсбрука было проведено при финансовой поддержке Австрийского научного фонда FWF и Австрийского агентства содействия исследованиям FFG.