Los Alamos riferisce che l'approccio hardware offre un nuovo paradigma del calcolo quantistico - Analisi delle notizie sull'informatica ad alte prestazioni

Ripubblicato da Platone

Seguaci: 0

Nikolai Sinitsyn, a destra

15 agosto 2023 — Il Los Alamost National Laboratory ha riferito oggi che un approccio teorico potenzialmente rivoluzionario all'hardware di calcolo quantistico evita parte della complessità riscontrata nei computer quantistici. La strategia implementa un algoritmo nelle interazioni quantistiche naturali per elaborare una varietà di problemi del mondo reale più velocemente di quanto possano fare i computer classici o i computer quantistici convenzionali basati su gate, ha affermato il laboratorio.

"La nostra scoperta elimina molti requisiti impegnativi per l'hardware quantistico", ha affermato Nikolai Sinitsyn, fisico teorico presso il Los Alamos National Laboratory. È coautore di A carta sull'approccio nella rivista Physical Review A. "I sistemi naturali, come gli spin elettronici dei difetti nel diamante, hanno esattamente il tipo di interazioni necessarie per il nostro processo di calcolo".

Sinitsyn ha affermato che il team spera di collaborare con i fisici sperimentali di Los Alamos per dimostrare il loro approccio utilizzando atomi ultrafreddi. Le moderne tecnologie negli atomi ultrafreddi sono sufficientemente avanzate per dimostrare tali calcoli con circa 40-60 qubit, ha affermato, il che è sufficiente per risolvere molti problemi attualmente non accessibili dal calcolo classico o binario. Un qubit è l'unità di base dell'informazione quantistica, analoga a un bit nell'informatica classica familiare.

Invece di creare un complesso sistema di porte logiche tra un numero di qubit che devono condividere tutti l'entanglement quantistico, la nuova strategia utilizza un semplice campo magnetico per ruotare i qubit, come gli spin degli elettroni, in un sistema naturale. L'evoluzione precisa degli stati di spin è tutto ciò che serve per implementare l'algoritmo. Sinitsyn ha affermato che l'approccio potrebbe essere utilizzato per risolvere molti problemi pratici proposti per i computer quantistici.

L'informatica quantistica rimane un campo nascente ostacolato dalla difficoltà di collegare i qubit in lunghe stringhe di porte logiche e mantenere l'entanglement quantistico richiesto per l'elaborazione. L'entanglement si interrompe in un processo noto come decoerenza, poiché i qubit entangled iniziano a interagire con il mondo al di fuori del sistema quantistico del computer, introducendo errori. Ciò avviene rapidamente, limitando il tempo di calcolo. La vera correzione degli errori non è stata ancora implementata sull'hardware quantistico.

Il nuovo approccio si basa sull'entanglement naturale piuttosto che indotto, quindi richiede meno connessioni tra i qubit. Ciò riduce l'impatto della decoerenza. Pertanto, i qubit vivono per un tempo relativamente lungo, ha detto Sinitsyn.

Il documento teorico del team di Los Alamos ha mostrato come l'approccio potrebbe risolvere un problema di partizionamento dei numeri utilizzando l'algoritmo di Grover più velocemente dei computer quantistici esistenti. Essendo uno degli algoritmi quantistici più noti, consente ricerche non strutturate di grandi set di dati che assorbono le risorse di calcolo convenzionali. Ad esempio, ha affermato Sinitsyn, l'algoritmo di Grover può essere utilizzato per suddividere equamente il tempo di esecuzione per le attività tra due computer, in modo che finiscano nello stesso momento, insieme ad altri lavori pratici. L'algoritmo è adatto a computer quantistici idealizzati e corretti da errori, sebbene sia difficile da implementare sulle macchine odierne soggette a errori.

I computer quantistici sono costruiti per eseguire calcoli molto più velocemente di quanto possa fare qualsiasi dispositivo classico, ma finora sono stati estremamente difficili da realizzare, ha affermato Sinitsyn. Un computer quantistico convenzionale implementa circuiti quantistici, sequenze di operazioni elementari con diverse coppie di qubit.

I teorici di Los Alamos hanno proposto un'interessante alternativa.

“Abbiamo notato che per molti famosi problemi computazionali è sufficiente avere un sistema quantistico con interazioni elementari, in cui solo un singolo spin quantistico – realizzabile con due qubit – interagisce con il resto dei qubit computazionali”, ha detto Sinitsyn. "Quindi un singolo impulso magnetico che agisce solo sullo spin centrale implementa la parte più complessa dell'algoritmo quantistico di Grover." Chiamata l'oracolo di Grover, questa operazione quantistica indica la soluzione desiderata.

"Nel processo non sono necessarie interazioni dirette tra i qubit computazionali e interazioni dipendenti dal tempo con lo spin centrale", ha affermato. Una volta impostati gli accoppiamenti statici tra lo spin centrale e i qubit, l'intero calcolo consiste solo nell'applicare semplici impulsi di campo esterni dipendenti dal tempo che ruotano gli spin, ha affermato.

È importante sottolineare che il team ha dimostrato che tali operazioni possono essere eseguite rapidamente. Il team ha anche scoperto che il loro approccio è topologicamente protetto. Cioè, è robusto contro molti errori nella precisione dei campi di controllo e altri parametri fisici anche senza correzione degli errori quantistici.

L'articolo: "L'oracolo di Grover topologicamente protetto per il problema della partizione". Revisione fisica A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Finanziamento: Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research e il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio presso il Los Alamos National Laboratory.