A Los Alamos jelentések szerint a hardvermegközelítés új kvantumszámítási paradigmát kínál – nagy teljesítményű számítástechnikai hírek elemzése

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Nikolai Sinitsyn, jobbra

15. augusztus 2023. – A Los Alamost National Laboratory ma arról számolt be, hogy a kvantumszámítógép hardverének potenciálisan játékot megváltoztató elméleti megközelítése elkerüli a kvantumszámítógépekben tapasztalható bonyolultság egy részét. A stratégia egy olyan algoritmust valósít meg a természetes kvantumkölcsönhatásokban, amelyek gyorsabban dolgoznak fel különféle valós problémákat, mint a klasszikus számítógépek vagy a hagyományos kapualapú kvantumszámítógépek – közölte a laboratórium.

"A felfedezésünk számos kihívást jelentő követelményt kiküszöböl a kvantumhardverrel szemben" - mondta Nikolai Sinitsyn, a Los Alamos National Laboratory elméleti fizikusa. Társszerzője a papír a Physical Review A folyóiratban megjelent megközelítésről. „A természetes rendszerek, mint például a gyémánt hibáinak elektronikus forgása, pontosan olyan típusú kölcsönhatásokkal rendelkeznek, amelyek a számítási folyamatunkhoz szükségesek.”

Sinitsyn elmondta, hogy a csapat reméli, hogy együttműködhetnek Los Alamos kísérleti fizikusaival, hogy bemutassák megközelítésüket ultrahideg atomok használatával. Az ultrahideg atomok modern technológiái kellően fejlettek ahhoz, hogy az ilyen számításokat körülbelül 40-60 qubittel demonstrálják, ami elég sok olyan probléma megoldásához, amelyek jelenleg nem érhetők el klasszikus vagy bináris számításokkal. A qubit a kvantuminformáció alapegysége, hasonlóan az ismert klasszikus számítástechnika bitjéhez.

Ahelyett, hogy bonyolult logikai kapurendszert hozna létre számos qubit között, amelyek mindegyikének meg kell osztania a kvantumösszefonódást, az új stratégia egyszerű mágneses mezőt használ a qubitek, például az elektronok spinjei forgatására egy természetes rendszerben. Az algoritmus megvalósításához csak a spinállapotok pontos alakulása szükséges. Sinitsyn szerint ez a megközelítés felhasználható a kvantumszámítógépeknél javasolt számos gyakorlati probléma megoldására.

A kvantumszámítás továbbra is egy kialakulóban lévő terület, amelyet a logikai kapuk hosszú láncaiban lévő qubitek összekapcsolásának és a számításhoz szükséges kvantumösszefonódás fenntartásának nehézségei okoznak. Az összefonódás a dekoherenciának nevezett folyamat során felbomlik, amikor az összegabalyodott qubitek kölcsönhatásba lépnek a számítógép kvantumrendszerén kívüli világgal, hibákat okozva. Ez gyorsan megtörténik, korlátozva a számítási időt. Valódi hibajavítás még nem valósult meg kvantumhardveren.

Az új megközelítés a természetes, nem pedig az indukált összefonódásra támaszkodik, így kevesebb kapcsolatot igényel a qubitek között. Ez csökkenti a dekoherencia hatását. Így a kubitok viszonylag hosszú ideig élnek, mondta Sinitsyn.

A Los Alamos-csapat elméleti tanulmánya bemutatta, hogy a megközelítés hogyan tud gyorsabban megoldani egy számparticionálási problémát Grover algoritmusával, mint a meglévő kvantumszámítógépek. Az egyik legismertebb kvantum-algoritmusként lehetővé teszi a nagy adathalmazok strukturálatlan keresését, amelyek felfalják a hagyományos számítási erőforrásokat. Például Sinitsyn azt mondta, hogy a Grover-algoritmus felhasználható arra, hogy a feladatok futási idejét egyenlően feloszthassák két számítógép között, így azok egy időben fejeződjenek be, más gyakorlati munkákkal együtt. Az algoritmus kiválóan alkalmas idealizált, hibajavított kvantumszámítógépekre, bár a mai hibalehető gépeken nehéz megvalósítani.

A kvantumszámítógépek úgy készültek, hogy a számításokat sokkal gyorsabban hajtsák végre, mint bármely klasszikus eszköz, de eddig rendkívül nehéz volt megvalósítani őket, mondta Sinitsyn. A hagyományos kvantumszámítógép kvantumáramköröket valósít meg – elemi műveletek sorozatait különböző qubitpárokkal.

A Los Alamos teoretikusai egy érdekes alternatívát javasoltak.

„Észrevettük, hogy sok híres számítási probléma esetén elegendő egy olyan kvantumrendszer, amelyben elemi kölcsönhatások vannak, és amelyben csak egyetlen kvantum spin – amely két qubittel megvalósítható – lép kölcsönhatásba a többi számítási qubittel” – mondta Sinitsyn. "Ezután egyetlen mágneses impulzus, amely csak a központi spinre hat, megvalósítja a kvantum Grover-algoritmus legbonyolultabb részét." Ez a Grover orákulumának nevezett kvantumművelet a kívánt megoldásra mutat.

"A folyamatban nincs szükség közvetlen kölcsönhatásra a számítási qubitek között, és nincs szükség időfüggő kölcsönhatásra a központi spinnel" - mondta. A központi spin és a qubitek közötti statikus csatolás beállítása után a teljes számítás csak egyszerű, időfüggő külső térimpulzusok alkalmazásából áll, amelyek forgatják a spineket, mondta.

Fontos, hogy a csapat bebizonyította, hogy az ilyen műveleteket gyorsan el lehet végezni. A csapat azt is felfedezte, hogy megközelítésük topológiailag védett. Vagyis kvantumhiba-javítás nélkül is robusztus a vezérlőmezők és más fizikai paraméterek pontosságának számos hibájával szemben.

A lap: „Topológiailag védett Grover jóslata a partíciós problémára.” Fizikai áttekintés A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Finanszírozás: Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research és a Laboratórium által irányított kutatási és fejlesztési program a Los Alamos National Laboratory-ban.