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奧地利物理學(xué)家研發(fā)通用量子計算機(jī)新架構(gòu) 克服量子信息無法復(fù)制和存儲限制

2022-11-01 08:51:35 來源：科技日報

量子機(jī)器的計算能力目前還偏低，提高性能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。奧地利因斯布魯克大學(xué)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)克服了量子信息無法復(fù)制和存儲的限制，或很快成為下一代量子計算機(jī)的基礎(chǔ)。

量子計算機(jī)中的量子比特同時用作計算單元和內(nèi)存，但由于量子信息無法復(fù)制，因此無法像經(jīng)典計算機(jī)那樣存儲在內(nèi)存中。由于這種限制，量子計算機(jī)中的所有量子比特必須能夠交互。這仍然是目前構(gòu)建強(qiáng)大量子計算機(jī)的主要挑戰(zhàn)。

2015年，理論物理學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;萊希納、菲利普·豪克和彼得·佐勒為解決這一難題，為量子計算機(jī)提出了一種新的架構(gòu)，以三人的名字命名為“LHZ架構(gòu)”。萊希納表示，這種架構(gòu)最初是為優(yōu)化問題而設(shè)計的，“在這個過程中，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”。

萊希納解釋說，此體系結(jié)構(gòu)中的物理量子比特不表示單個比特，而是對比特之間的交互進(jìn)行編碼。這也意味著，并非所有量子比特都必須相互交互。他和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)證明，一種奇偶校驗(yàn)概念也適用于通用量子計算機(jī)。

奇偶校驗(yàn)計算機(jī)可在單個量子比特上執(zhí)行兩個或多個量子比特之間的操作。研究人員表示，現(xiàn)有的量子計算機(jī)已經(jīng)在小規(guī)模上很好地實(shí)現(xiàn)了這種運(yùn)算。然而，隨著量子比特數(shù)量的增加，實(shí)現(xiàn)這些門運(yùn)算變得越來越復(fù)雜。

在兩篇論文中，因斯布魯克大學(xué)科學(xué)家證明，奇偶校驗(yàn)計算機(jī)可執(zhí)行量子傅里葉變換，計算步驟明顯減少，因此速度更快。傅里葉變換正是許多量子算法的基本構(gòu)建塊。研究人員表示，架構(gòu)的高度并行性意味著，它能非常有效地執(zhí)行眾所周知的用于分解數(shù)字的舒爾算法。

新概念還使硬件具有高效的糾錯功能。由于量子系統(tǒng)對干擾非常敏感，量子計算機(jī)必須不斷糾正錯誤。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。新模型采用兩階段糾錯，一種類型的錯誤(比特翻轉(zhuǎn)錯誤或相位錯誤)可由所使用的硬件防止;另一種類型的錯誤則可通過軟件檢測和糾正。這種管理的方式亦有助實(shí)現(xiàn)下一代通用量子計算機(jī)。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)家量子機(jī)器計算能力因斯布魯克大學(xué)