Los Alamos raportoi Hardware Approach tarjoaa uuden kvanttilaskentaparadigman - High Performance Computing -uutisanalyysi

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Nikolai Sinitsyn, oikealla

15. elokuuta 2023 – Los Alamostin kansallinen laboratorio raportoi tänään, että mahdollisesti peliä muuttava teoreettinen lähestymistapa kvanttilaskentalaitteistoon välttää osan kvanttitietokoneissa esiintyvästä monimutkaisuudesta. Strategia toteuttaa algoritmin luonnollisissa kvanttivuorovaikutuksissa, jotta voidaan käsitellä erilaisia reaalimaailman ongelmia nopeammin kuin klassiset tietokoneet tai perinteiset porttipohjaiset kvanttitietokoneet pystyvät, laboratorio sanoi.

"Löydöksemme eliminoi monet haastavat vaatimukset kvanttilaitteistolle", sanoi Nikolai Sinitsyn, teoreettinen fyysikko Los Alamos National Laboratorysta. Hän on mukana kirjoittamassa a paperi Physical Review A -lehdessä julkaistusta lähestymistavasta. "Luonnollisilla järjestelmillä, kuten timantin vikojen elektronisilla pyörimisillä, on täsmälleen laskentaprosessissamme tarvittava vuorovaikutus."

Sinitsyn sanoi, että tiimi toivoo tekevänsä yhteistyötä kokeellisten fyysikkojen kanssa Los Alamosissa demonstroidakseen lähestymistapaansa käyttämällä erittäin kylmiä atomeja. Nykyaikaiset ultrakylmien atomien tekniikat ovat riittävän kehittyneitä osoittamaan tällaisia laskelmia noin 40-60 qubitillä, hän sanoi, mikä riittää ratkaisemaan monia ongelmia, joita ei tällä hetkellä voida saavuttaa klassisilla tai binäärilaskutoimilla. Kubitti on kvanttitiedon perusyksikkö, joka on analoginen bitin kanssa tutussa klassisessa laskennassa.

Sen sijaan, että muodostettaisiin monimutkainen logiikkaporttijärjestelmä useille kubiteille, joiden kaikkien on jaettava kvanttikietoutuminen, uusi strategia käyttää yksinkertaista magneettikenttää kubittien, kuten elektronien spinien, kiertämiseen luonnollisessa järjestelmässä. Spin-tilojen tarkka kehitys on kaikki mitä tarvitaan algoritmin toteuttamiseen. Sinitsyn sanoi, että lähestymistapaa voitaisiin käyttää ratkaisemaan monia kvanttitietokoneille ehdotettuja käytännön ongelmia.

Kvanttilaskenta on edelleen syntymässä oleva kenttä, jota vaikeuttaa vaikeus yhdistää kubitteja pitkissä logiikkaporttien sarjoissa ja ylläpitää laskennassa tarvittavaa kvanttikietoutumista. Kietoutuminen hajoaa prosessissa, joka tunnetaan dekoherenssina, kun kietoutuvat kubitit alkavat olla vuorovaikutuksessa tietokoneen kvanttijärjestelmän ulkopuolisen maailman kanssa aiheuttaen virheitä. Tämä tapahtuu nopeasti, mikä rajoittaa laskenta-aikaa. Todellista virheenkorjausta ei ole vielä toteutettu kvanttilaitteistolla.

Uusi lähestymistapa perustuu luonnolliseen eikä indusoituun sotkeutumiseen, joten se vaatii vähemmän yhteyksiä kubittien välillä. Tämä vähentää dekoherenssin vaikutusta. Siten kubitit elävät suhteellisen pitkään, Sinitsyn sanoi.

Los Alamos -tiimin teoreettinen paperi osoitti, kuinka lähestymistapa voisi ratkaista luku-ositusongelman Groverin algoritmilla nopeammin kuin olemassa olevat kvanttitietokoneet. Yhtenä tunnetuimmista kvanttialgoritmeista se mahdollistaa strukturoimattoman haun suurista tietojoukoista, jotka ahmivat tavanomaisia laskentaresursseja. Esimerkiksi, Sinitsyn sanoi, Groverin algoritmia voidaan käyttää jakamaan tehtävien suoritusaika tasapuolisesti kahden tietokoneen välillä, jotta ne päättyvät samaan aikaan muiden käytännön töiden ohella. Algoritmi sopii hyvin idealisoituihin, virhekorjattuihin kvanttitietokoneisiin, vaikka sitä on vaikea toteuttaa nykypäivän virhealttiissa koneissa.

Kvanttitietokoneet on rakennettu suorittamaan laskelmia paljon nopeammin kuin mikään klassinen laite voi tehdä, mutta niitä on ollut toistaiseksi erittäin vaikea toteuttaa, Sinitsyn sanoi. Perinteinen kvanttitietokone toteuttaa kvanttipiirejä - alkeisoperaatioiden sarjoja eri kubittiparien kanssa.

Los Alamosin teoreetikot ehdottivat kiehtovaa vaihtoehtoa.

"Huomasimme, että moniin kuuluisiin laskentaongelmiin riittää kvanttijärjestelmä, jossa on alkeisvuorovaikutuksia, jossa vain yksi kvantispin - joka voidaan toteuttaa kahdella kubitilla - on vuorovaikutuksessa muiden laskennallisten kubittien kanssa", Sinitsyn sanoi. "Sitten yksittäinen magneettipulssi, joka vaikuttaa vain keskispiniin, toteuttaa kvantti Groverin algoritmin monimutkaisimman osan." Tätä Groverin oraakkeliksi kutsuttu kvanttioperaatio osoittaa haluttuun ratkaisuun.

"Prosessissa ei tarvita suoria vuorovaikutuksia laskennallisten kubittien välillä eikä ajasta riippuvia vuorovaikutuksia keskusspin kanssa", hän sanoi. Kun staattiset kytkennät keskusspin ja kubittien välillä on asetettu, koko laskenta koostuu vain yksinkertaisten ajasta riippuvien ulkoisten kenttäpulssien soveltamisesta, jotka pyörittävät spinejä, hän sanoi.

Tärkeää on, että tiimi osoitti, että tällaiset toiminnot voidaan tehdä nopeasti. Ryhmä havaitsi myös, että heidän lähestymistapansa on topologisesti suojattu. Toisin sanoen se kestää monia ohjauskenttien ja muiden fyysisten parametrien tarkkuuden virheitä jopa ilman kvanttivirheen korjausta.

Paperi: "Topologisesti suojattu Groverin oraakkeli osioongelmaa varten." Fyysinen arvostelu A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Rahoitus: Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research ja laboratorioohjattu tutkimus- ja kehitysohjelma Los Alamos National Laboratoryssa.