Los Alamos گزارش می دهد که رویکرد سخت افزاری الگوی محاسباتی کوانتومی جدیدی را ارائه می دهد - تحلیل اخبار محاسباتی با عملکرد بالا

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

نیکولای سینیتسین، در سمت راست

15 اوت 2023 - آزمایشگاه ملی Los Alamost امروز گزارش داد که یک رویکرد نظری بالقوه تغییر دهنده بازی برای سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی از برخی پیچیدگی‌های موجود در رایانه‌های کوانتومی جلوگیری می‌کند. به گفته آزمایشگاه، این استراتژی الگوریتمی را در برهمکنش‌های کوانتومی طبیعی برای پردازش انواع مشکلات دنیای واقعی سریع‌تر از رایانه‌های کوانتومی کلاسیک یا رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر گیت معمولی پیاده‌سازی می‌کند.

نیکولای سینیتسین، فیزیکدان نظری در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، گفت: «یافته‌های ما بسیاری از الزامات چالش برانگیز برای سخت‌افزار کوانتومی را حذف می‌کند. او از نویسندگان یک مقاله در مورد رویکرد مجله Physical Review A. "سیستم های طبیعی، مانند چرخش های الکترونیکی نقص در الماس، دقیقاً نوع تعاملات مورد نیاز برای فرآیند محاسباتی ما را دارند."

سینیتسین گفت که تیم امیدوار است با فیزیکدانان تجربی در لوس آلاموس همکاری کند تا رویکرد خود را با استفاده از اتم های فوق سرد نشان دهد. او گفت که فن‌آوری‌های مدرن در اتم‌های فوق‌سرد به اندازه‌ای پیشرفته هستند که چنین محاسباتی را با حدود 40 تا 60 کیوبیت نشان می‌دهند، که برای حل بسیاری از مشکلاتی که در حال حاضر با محاسبات کلاسیک یا باینری قابل دسترسی نیستند، کافی است. کیوبیت واحد اصلی اطلاعات کوانتومی است، مشابه بیت در محاسبات کلاسیک آشنا.

استراتژی جدید به جای ایجاد یک سیستم پیچیده از دروازه‌های منطقی در میان تعدادی کیوبیت که همگی باید درهم تنیدگی کوانتومی داشته باشند، از یک میدان مغناطیسی ساده برای چرخش کیوبیت‌ها، مانند اسپین‌های الکترون‌ها، در یک سیستم طبیعی استفاده می‌کند. تکامل دقیق حالت‌های اسپین تنها چیزی است که برای پیاده‌سازی الگوریتم مورد نیاز است. سینیتسین گفت این رویکرد می تواند برای حل بسیاری از مسائل عملی ارائه شده برای کامپیوترهای کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.

محاسبات کوانتومی همچنان یک میدان نوپای است که به دلیل دشواری اتصال کیوبیت ها در رشته های طولانی گیت های منطقی و حفظ درهم تنیدگی کوانتومی مورد نیاز برای محاسبات، ناتوان است. درهم تنیدگی در فرآیندی به نام decoherence از بین می‌رود، زیرا کیوبیت‌های درهم‌تنیده شروع به تعامل با جهان خارج از سیستم کوانتومی رایانه می‌کنند و خطاهایی را ایجاد می‌کنند. این به سرعت اتفاق می افتد و زمان محاسبه را محدود می کند. تصحیح خطای واقعی هنوز روی سخت افزار کوانتومی اجرا نشده است.

رویکرد جدید به درهم تنیدگی طبیعی و نه القایی متکی است، بنابراین به اتصالات کمتری بین کیوبیت ها نیاز دارد. که تاثیر عدم انسجام را کاهش می دهد. سینیتسین گفت، بنابراین، کیوبیت ها برای مدت نسبتا طولانی زندگی می کنند.

مقاله نظری تیم Los Alamos نشان داد که چگونه این رویکرد می‌تواند مشکل تقسیم‌بندی اعداد را با استفاده از الگوریتم گروور سریع‌تر از رایانه‌های کوانتومی موجود حل کند. به عنوان یکی از شناخته‌شده‌ترین الگوریتم‌های کوانتومی، امکان جستجوی بدون ساختار مجموعه‌های داده‌ای بزرگ را فراهم می‌کند که منابع محاسباتی معمولی را می بلعند. به عنوان مثال، Sinitsyn گفت، الگوریتم Grover را می توان برای تقسیم زمان اجرا برای وظایف به طور مساوی بین دو رایانه استفاده کرد، بنابراین آنها در یک زمان به پایان می رسند، همراه با سایر کارهای عملی. این الگوریتم برای کامپیوترهای کوانتومی ایده آل و تصحیح شده با خطا مناسب است، اگرچه پیاده سازی آن در ماشین های مستعد خطا امروزی دشوار است.

سینیتسین گفت که رایانه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات بسیار سریع‌تر از هر دستگاه کلاسیکی ساخته شده‌اند، اما به‌گفته سینیتسین، درک آن‌ها تا کنون بسیار سخت بوده است. یک کامپیوتر کوانتومی معمولی مدارهای کوانتومی را پیاده سازی می کند - دنباله ای از عملیات ابتدایی با جفت های مختلف کیوبیت.

نظریه پردازان لوس آلاموس جایگزین جالبی را پیشنهاد کردند.

سینیتسین گفت: «ما متوجه شدیم که برای بسیاری از مسائل محاسباتی معروف، داشتن یک سیستم کوانتومی با برهمکنش‌های ابتدایی کافی است، که در آن تنها یک اسپین کوانتومی - قابل تحقق با دو کیوبیت - با بقیه کیوبیت‌های محاسباتی تعامل دارد. سپس یک پالس مغناطیسی منفرد که فقط بر روی اسپین مرکزی عمل می‌کند، پیچیده‌ترین بخش الگوریتم گروور کوانتومی را اجرا می‌کند. این عملیات کوانتومی که اوراکل گروور نامیده می شود، به راه حل مورد نظر اشاره می کند.

او گفت: "هیچ تعامل مستقیم بین کیوبیت های محاسباتی و هیچ تعامل وابسته به زمان با اسپین مرکزی در این فرآیند مورد نیاز نیست." او گفت هنگامی که کوپلینگ های ایستا بین اسپین مرکزی و کیوبیت ها تنظیم شدند، کل محاسبات فقط شامل اعمال پالس های میدان خارجی ساده وابسته به زمان است که اسپین ها را می چرخاند.

نکته مهم این است که تیم ثابت کرد که چنین عملیاتی را می توان سریع انجام داد. این تیم همچنین کشف کرد که رویکرد آنها از نظر توپولوژیکی محافظت می شود. یعنی در برابر بسیاری از خطاها در دقت فیلدهای کنترلی و سایر پارامترهای فیزیکی حتی بدون تصحیح خطای کوانتومی مقاوم است.

مقاله: از نظر توپولوژیکی از اوراکل گروور برای مشکل پارتیشن محافظت کرد. بررسی فیزیکی A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

تامین مالی: اداره انرژی، دفتر علوم، دفتر تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته و برنامه تحقیق و توسعه هدایت شده آزمایشگاهی در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس.