Los Alamos berichtet, dass Hardware-Ansatz ein neues Quantencomputing-Paradigma bietet – High-Performance-Computing-Nachrichtenanalyse

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Nikolai Sinitsyn, rechts

15. August 2023 – Das Los Alamost National Laboratory berichtete heute, dass ein möglicherweise bahnbrechender theoretischer Ansatz für Quantencomputer-Hardware einen Teil der Komplexität von Quantencomputern vermeidet. Die Strategie implementiert einen Algorithmus in natürlichen Quanteninteraktionen, um eine Vielzahl realer Probleme schneller zu verarbeiten, als es klassische Computer oder herkömmliche Gate-basierte Quantencomputer können, sagte das Labor.

„Unsere Entdeckung beseitigt viele anspruchsvolle Anforderungen an Quantenhardware“, sagte Nikolai Sinitsyn, theoretischer Physiker am Los Alamos National Laboratory. Er ist Mitautor von a Krepppapier über den Ansatz in der Zeitschrift Physical Review A. „Natürliche Systeme, wie die elektronischen Spins von Defekten in Diamant, weisen genau die Art von Wechselwirkungen auf, die für unseren Berechnungsprozess erforderlich sind.“

Sinitsyn sagte, das Team hoffe auf eine Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern in Los Alamos, um ihren Ansatz unter Verwendung ultrakalter Atome zu demonstrieren. Moderne Technologien in ultrakalten Atomen seien weit genug fortgeschritten, um solche Berechnungen mit etwa 40 bis 60 Qubits zu demonstrieren, sagte er, was ausreiche, um viele Probleme zu lösen, die derzeit durch klassische oder binäre Berechnungen nicht zugänglich seien. Ein Qubit ist die Grundeinheit der Quanteninformation, analog zu einem Bit in der bekannten klassischen Informatik.

Anstatt ein komplexes System logischer Gatter zwischen einer Reihe von Qubits aufzubauen, die alle eine Quantenverschränkung aufweisen müssen, nutzt die neue Strategie ein einfaches Magnetfeld, um die Qubits, beispielsweise die Spins von Elektronen, in einem natürlichen System zu drehen. Zur Implementierung des Algorithmus ist lediglich die genaue Entwicklung der Spinzustände erforderlich. Sinitsyn sagte, der Ansatz könne zur Lösung vieler praktischer Probleme verwendet werden, die für Quantencomputer vorgeschlagen würden.

Quantencomputing ist nach wie vor ein junges Feld, das durch die Schwierigkeit beeinträchtigt wird, Qubits in langen Reihen von Logikgattern zu verbinden und die für die Berechnung erforderliche Quantenverschränkung aufrechtzuerhalten. Die Verschränkung bricht in einem Prozess zusammen, der als Dekohärenz bezeichnet wird, wenn die verschränkten Qubits beginnen, mit der Welt außerhalb des Quantensystems des Computers zu interagieren, was zu Fehlern führt. Das geschieht schnell und begrenzt die Rechenzeit. Eine echte Fehlerkorrektur ist auf Quantenhardware noch nicht implementiert.

Der neue Ansatz basiert eher auf natürlicher als auf induzierter Verschränkung und erfordert daher weniger Verbindungen zwischen Qubits. Dadurch wird der Einfluss der Dekohärenz verringert. Somit leben die Qubits relativ lange, sagte Sinitsyn.

Die theoretische Arbeit des Los Alamos-Teams zeigte, wie der Ansatz ein Zahlenpartitionierungsproblem mithilfe des Grover-Algorithmus schneller lösen könnte als bestehende Quantencomputer. Als einer der bekanntesten Quantenalgorithmen ermöglicht er die unstrukturierte Suche in großen Datenmengen, die herkömmliche Rechenressourcen verschlingen. Sinitsyn sagte beispielsweise, dass Grovers Algorithmus verwendet werden kann, um die Laufzeit für Aufgaben gleichmäßig auf zwei Computer aufzuteilen, sodass diese zusammen mit anderen praktischen Aufgaben gleichzeitig abgeschlossen werden. Der Algorithmus eignet sich gut für idealisierte, fehlerkorrigierte Quantencomputer, obwohl er auf den heutigen fehleranfälligen Maschinen nur schwer zu implementieren ist.

Quantencomputer sind so konzipiert, dass sie Berechnungen viel schneller durchführen als jedes klassische Gerät, aber sie seien bislang äußerst schwer zu realisieren, sagte Sinitsyn. Ein herkömmlicher Quantencomputer implementiert Quantenschaltkreise – Folgen elementarer Operationen mit verschiedenen Qubit-Paaren.

Die Theoretiker von Los Alamos schlugen eine faszinierende Alternative vor.

„Wir haben festgestellt, dass es für viele berühmte Rechenprobleme ausreicht, ein Quantensystem mit elementaren Wechselwirkungen zu haben, in dem nur ein einziger Quantenspin – realisierbar mit zwei Qubits – mit den übrigen Rechen-Qubits interagiert“, sagte Sinitsyn. „Dann implementiert ein einzelner magnetischer Impuls, der nur auf den Zentralspin einwirkt, den komplexesten Teil des Quanten-Grover-Algorithmus.“ Diese Quantenoperation, auch Grover-Orakel genannt, weist auf die gewünschte Lösung hin.

„Dabei sind keine direkten Wechselwirkungen zwischen den Rechen-Qubits und keine zeitabhängigen Wechselwirkungen mit dem Zentralspin erforderlich“, sagte er. Sobald die statischen Kopplungen zwischen Zentralspin und Qubits festgelegt seien, bestehe die gesamte Berechnung nur noch aus der Anwendung einfacher zeitabhängiger externer Feldimpulse, die die Spins drehen, sagte er.

Wichtig ist, dass das Team bewiesen hat, dass solche Operationen schnell durchgeführt werden können. Das Team entdeckte außerdem, dass ihr Ansatz topologisch geschützt ist. Das heißt, es ist auch ohne Quantenfehlerkorrektur robust gegenüber vielen Fehlern in der Präzision der Kontrollfelder und anderer physikalischer Parameter.

Das Papier: „Topologisch geschütztes Grover-Orakel für das Partitionsproblem.“ Körperliche Untersuchung A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Finanzierung: Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research und das Laboratory Directed Research and Development-Programm am Los Alamos National Laboratory.