Când vine vorba de proiectarea și arhitectura unui calculator cuantic, impedimentul major este reprezentat de modalitățile de stocare ale informației cuantice. În primul rând, se știe faptul că aceasta nu poate fi stocată într-o memorie (internă sau externă), cum este cazul calculatoarelor clasice: informația cuantică nu poate fi copiată. Pe de altă parte, într-un astfel de calculator, se mai știe și faptul că biții quantici (așa-numiții „qubiți”) au o natură duală – acționează atât drept memorie, cât și ca unitate de calcul. Prin urmare, din cauza naturii duale și a imposibilității de stocare într-o memorie, este necesar ca biții quantici să interacționeze reciproc. În zilele noastre acesta este unul dintre cele mai mari impedimente care stă în calea dezvoltării calculatoarelor cuantice practice, puternice și moderne. În anul 2015, fizicianul teoretician Wolfgang Lechner, alături de colaboratorii săi, Philipp Hauke și Peter Zoller, au venit cu ideea revoluționară a unei noi „scheme arhitecturale” pentru dezvoltarea calculatoarelor cuantice. Cunoscută sub numele „HLZ”, acronim al inițialelor celor trei autori, schema își propune să anihileze toate problemele de optimizare și calcul care ar putea apărea în protocolul de dezvoltare pentru un nou tip de calculator cuantic.
Eficientizarea, maximizarea și simplificarea calculelor operaționale complexe
După cum Wolfgang Lechner afirmă, arhitectura „a fost concepută inițial pentru a putea depăși toate problemele de optimizare care ar putea apărea”. Profesor și cercetător la Departamentul de Fizică Teoretică al Universități din Innsbruck, Lechner afirmă că pentru reușita acestui lucru și-au propus „să reducă la minimum arhitectura, pentru a rezolva problemele de optimizare cele mai des întâlnite și obișnuite, într-un mod cât mai eficient cu putință”. Astfel, s-a gândit că ar fi mult mai fiabil ca acești qubiți fizici din arhitectura nou propusă să nu reprezinte biți singulari și individuali, ci să codifice coordonarea relativă dintre aceștia. „Acest lucru înseamnă că acum nu mai este necesar ca toți qubiții să interacționeze unii cu alții”, afirmă Wolfgang. „Cele deja existente [calculatoarele cuantice] reușesc să implementeze deja astfel de operații; problema e faptul că o fac doar la scară mică (…). Totuși, pe măsură ce numărul de qubiți crește, devine tot mai complexă implementarea acestor operațiuni de porți logice”.
Utilizarea algoritmilor pentru reducerea etapelor de calcul și randament maximal
Rezultatele mai multor cercetări au fost publicate în două reviste prestigioase, cu impact mare în domeniu – Physical Review Letters și Physical Review A. Oamenii de știință au demonstrat cum calculatoarele de paritate au capacitatea de a efectua, spre exemplu, transformări Fourier cuantice (FT; transformările Fourier sunt transformări matematice care duc la descompunerea funcțiilor în componente de frecvență, cel mai frecvent temporale sau spațiale, cum ar fi spre exemplu descompunerea formei de undă a unei melodii în funcție de intensitate). Ei au arătat că aceste transformări sunt posibile cu reducerea etapelor de calcul, așadar mult mai rapid. Așa cum afirmă Fellner, participant la studiu, modelul se bucură de un paralelism ridicat, pentru că „poate fi aplicat pentru mai multe situații, cum ar fi binecunoscutul algoritm Shor, eficient când vine vorba de factorizarea numerelor; nu doar că poate fi fidel executat, dar este și eficient”.
Eficiență sporită cu un consum energetic mult redus
Noua arhitectură propusă, cu rezultate pozitive dovedite, oferă și posibilitatea de a corecta mai ușor erorile din punct de vedere al solicitării componentei hardware. Se știe faptul că în general un sistem cuantic este extrem de sensibil la condițiile externe – perturbații, șocuri, intervenții de natură umană –, motiv pentru care computerele cuantice sunt nevoite ca în timpul rulării să se asigure că pot corecta, eficient și în permanență, eventualele erori care ar apar. Prin urmare, este necesar ca o cantitate însemnată de resurse energetice să fie investită în această direcție; și un caz viabil este cel al criptografiei cuantice, ceea ce maximizează numărul de qubiți necesari.
„Totuși, noi am reușit să ducem la bun sfârșit ideea unui model care funcționează cu o corecție a erorilor în doar două etape, un tip de eroare – eroare de răsturnare a bitului sau eroare de fază – fiind împiedicat, înainte de toate, de componenta hardware folosită”, a adăugat Wolfgang. În momentul de față, există deja abordări experimentale ale modelului pentru anumite platforme, chiar dacă în stadiu inițial. „Pe de altă parte, celălalt tip de eroare poate fi detectat și corectat prin intermediul software-ului”. Cu ajutorul acestui model, ar putea fi posibil, în sfârșit, primul pas semnificativ spre realizarea calculatoarelor ”next-gen”: calculatoare cuantice universale și care nu necesită consumul unei cantități excedentare de energie. ParityQC, companie pe care au cofondat-o Lechner și Magdalena Hauser, are deja solicitări de la parteneri din diferite arii de activitate, în vederea unei posibile implementări a modelului pe care au reușit să îl dezvolte.
