奇偶校验计算机可以在单个量子比特上执行两个或多个量子比特之间的操作，更容易实现复杂的算法。

在量子计算机中，量子比特 (qubits) 需要同时充当计算单元和内存。量子信息不能像传统计算机那样存储在内存中，因为它（根据量子不可克隆原理）无法复制。由于这一限制，量子计算机的量子比特必须能够相互发生交互作用，而这仍然是开发强大量子计算机的重大挑战。

为了克服这个问题，理论物理学家Wolfgang Lechner与Philipp Hauke和Peter Zoller在2015年提出了一种新颖的量子计算机架构。这种架构现在以作者的名字命名为LHZ架构。

“这种架构最初是为优化问题而设计的，”奥地利因斯布鲁克大学理论物理系的 Wolfgang Lechner 回忆道。“在此过程中，我们将架构缩小到最低限度，以便尽可能高效地解决这些优化问题。”

该架构中的物理量子比特包含了量子比特之间的相对协调信息，而不仅仅表示单个比特。

“这意味着并非所有量子比特都必须再相互作用了。”Wolfgang Lechner 解释道。他和他的团队现在已经表明，这种奇偶校验概念也适用于通用量子计算机。

简化复杂操作

奇偶校验计算机可以在单个量子比特上执行两个或多个量子比特之间的操作。“现有样机已经在小规模上很好地实现了这样的操作，”Wolfgang Lechner团队的Michael Fellner表示。

“然而，随着量子比特数量的增加，实现这些门操作变得越来越复杂。”

在Physical Review Letters和Physical Review A的两篇出版物中，因斯布鲁克的科学家们证明，奇偶校验计算机可以执行量子傅里叶变换——许多量子算法的基本构建块——而且由于计算步骤明显减少，因此速度更快。

“我们架构的高度并行性意味着，可以非常高效地执行著名的Shor数字因式分解算法等。”Fellner 说。

实现两级纠错

新概念还提供硬件上的高效纠错。由于量子系统对干扰非常敏感，因此量子计算机必须不断纠正错误。必须投入大量资源来保护量子信息，这大大增加了所需的量子比特数。

“我们的模型采用两级纠错，一种类型的错误（位翻转错误或相位错误）可以通过使用的硬件来防止，”同样是因斯布鲁克研究团队成员的Anette Messinger和Kilian Ender说。他们在不同的平台上已经有了初步的实验方法。

Messinger和Ender说：“其他类型的错误可以通过软件检测和纠正。”这将使下一代通用量子计算机有望通过能商业化的管理和研发实现。目前，由Wolfgang Lechner和Magdalena Hauser共同创立的衍生公司——ParityQC，已经在与因斯布鲁克大学及科学和工业上的伙伴合作，并可能实现新的研究模式。

相关论文可以查阅：Michael Fellner、Anette Messinger、Kilian Ender 和 Wolfgang Lechner 的“通用奇偶校验量子计算”，2022 年 10 月 27 日，物理评论快报。
DOI：10.1103/PhysRevLett.129.180503Michael Fellner、Anette Messinger、Kilian Ender 和 Wolfgang Lechner 的“通用奇偶校验量子计算的应用”，2022 年 10 月 27 日，Physical Review A。
DOI：10.1103/PhysRevA.106.042442

编译：王珩

编辑：慕一