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奧地利物理學家研發通用量子計算機新架構克服量子信息無法復制和存儲限制

2022-11-01 08:51:35 來源：科技日報

量子機器的計算能力目前還偏低，提高性能是一項重大挑戰。奧地利因斯布魯克大學物理學家現在提出了一種通用量子計算機的新架構，該架構克服了量子信息無法復制和存儲的限制，或很快成為下一代量子計算機的基礎。

量子計算機中的量子比特同時用作計算單元和內存，但由于量子信息無法復制，因此無法像經典計算機那樣存儲在內存中。由于這種限制，量子計算機中的所有量子比特必須能夠交互。這仍然是目前構建強大量子計算機的主要挑戰。

2015年，理論物理學家沃爾夫岡·萊希納、菲利普·豪克和彼得·佐勒為解決這一難題，為量子計算機提出了一種新的架構，以三人的名字命名為“LHZ架構”。萊希納表示，這種架構最初是為優化問題而設計的，“在這個過程中，我們將架構減少到最低限度，以便盡可能高效地解決這些優化問題”。

萊希納解釋說，此體系結構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。他和團隊現在已經證明，一種奇偶校驗概念也適用于通用量子計算機。

奇偶校驗計算機可在單個量子比特上執行兩個或多個量子比特之間的操作。研究人員表示，現有的量子計算機已經在小規模上很好地實現了這種運算。然而，隨著量子比特數量的增加，實現這些門運算變得越來越復雜。

在兩篇論文中，因斯布魯克大學科學家證明，奇偶校驗計算機可執行量子傅里葉變換，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建塊。研究人員表示，架構的高度并行性意味著，它能非常有效地執行眾所周知的用于分解數字的舒爾算法。

新概念還使硬件具有高效的糾錯功能。由于量子系統對干擾非常敏感，量子計算機必須不斷糾正錯誤。必須投入大量資源來保護量子信息，這大大增加了所需的量子比特數量。新模型采用兩階段糾錯，一種類型的錯誤(比特翻轉錯誤或相位錯誤)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現下一代通用量子計算機。

關鍵詞：物理學家量子機器計算能力因斯布魯克大學