ロスアラモス、ハードウェアアプローチが新しい量子コンピューティングパラダイムを提供すると報告 - ハイパフォーマンスコンピューティングニュース分析

プラトン再発行

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ニコライ・シニツィン（右）

15 年 2023 月 XNUMX 日 — ロスアラモスト国立研究所は本日、量子コンピューティングハードウェアへの革新的な理論的アプローチにより、量子コンピューターに見られる複雑さの一部が回避されると報告しました。同研究室によると、この戦略は自然な量子相互作用のアルゴリズムを実装し、古典的なコンピューターや従来のゲートベースの量子コンピューターよりも高速に現実世界のさまざまな問題を処理するという。

「私たちの発見により、量子ハードウェアに対する多くの困難な要件が解消されました」とロスアラモス国立研究所の理論物理学者ニコライ・シニツィン氏は述べた。彼は次の本の共著者です。紙このアプローチについては、ジャーナル Physical Review A に掲載されました。「ダイヤモンドの欠陥の電子スピンなどの自然システムには、まさに私たちの計算プロセスに必要な種類の相互作用があります。」

シニツィン氏は、チームはロスアラモスの実験物理学者と協力して、超低温原子を使ったアプローチを実証したいと述べた。超低温原子における現代の技術は、約40〜60量子ビットでそのような計算を実証できるほど十分に進歩しており、これは現在古典的な計算、つまりバイナリ計算ではアクセスできない多くの問題を解決するのに十分であると同氏は述べた。量子ビットは量子情報の基本単位であり、よく知られている古典的なコンピューティングのビットに似ています。

新しい戦略では、量子もつれをすべて共有する必要がある多数の量子ビット間に論理ゲートの複雑なシステムをセットアップするのではなく、単純な磁場を使用して、自然なシステム内で電子のスピンなどの量子ビットを回転させます。アルゴリズムの実装に必要なのは、スピン状態の正確な進化だけです。シニツィン氏は、このアプローチは量子コンピューターに提案されている多くの実際的な問題を解決するために使用できる可能性があると述べた。

量子コンピューティングは、論理ゲートの長いストリング内の量子ビットを接続し、計算に必要な量子もつれを維持することが難しいという障害を抱えた、依然として初期の分野です。もつれはデコヒーレンスとして知られるプロセスで崩壊し、もつれた量子ビットがコンピューターの量子システムの外側の世界と相互作用し始め、エラーが発生します。これはすぐに行われるため、計算時間が制限されます。真のエラー訂正は量子ハードウェアにはまだ実装されていません。

新しいアプローチは、誘導的なもつれではなく自然なもつれに依存しているため、量子ビット間の接続が少なくて済みます。これにより、デコヒーレンスの影響が軽減されます。したがって、量子ビットは比較的長期間存続するとシニツィン氏は述べた。

ロスアラモスチームの理論論文は、このアプローチがグローバーのアルゴリズムを使用して、既存の量子コンピューターよりも高速に数値分割問題をどのように解決できるかを示しました。最もよく知られた量子アルゴリズムの XNUMX つとして、従来のコンピューティングリソースを消費する大規模なデータセットの非構造化検索が可能になります。たとえば、グローバーのアルゴリズムを使用すると、タスクの実行時間を XNUMX 台のコンピューター間で均等に分配できるため、他の実際のジョブとともに同時に完了することができる、とシニツィン氏は述べています。このアルゴリズムは、理想的なエラー訂正された量子コンピューターに適していますが、今日のエラーが発生しやすいマシンに実装するのは困難です。

量子コンピューターは従来のデバイスよりもはるかに高速に計算を実行できるように構築されているが、これまで実現するのは非常に困難であったとシニツィン氏は述べた。従来の量子コンピューターは、量子回路、つまり異なる量子ビットのペアによる基本演算のシーケンスを実装します。

ロスアラモスの理論家たちは、興味深い代替案を提案しました。

「私たちは、多くの有名な計算問題では、基本相互作用を備えた量子システムがあれば十分であることに気づきました。このシステムでは、XNUMX 量子ビットで実現可能な XNUMX つの量子スピンだけが残りの計算量子ビットと相互作用します」とシニツィン氏は述べた。「そして、中心スピンにのみ作用する単一の磁気パルスが、量子グローバーのアルゴリズムの最も複雑な部分を実装します。」グローバーの神託と呼ばれるこの量子操作は、望ましい解決策を示します。

「このプロセスでは、計算量子ビット間の直接的な相互作用や、中心スピンとの時間依存の相互作用は必要ありません」と彼は述べた。中心スピンと量子ビットの間の静的結合が設定されると、計算全体は、スピンを回転させる単純な時間依存の外部場パルスを適用するだけで構成されると同氏は述べた。

重要なのは、チームがそのような操作を高速に実行できることを証明したことです。チームはまた、彼らのアプローチがトポロジー的に保護されていることも発見しました。つまり、量子誤り訂正がなくても、制御フィールドやその他の物理パラメータの精度における多くの誤りに対して堅牢です。

論文: 「分割問題に対するグローバーの神託をトポロジー的に保護した。」物理的レビュー A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

資金提供: エネルギー省科学局、先端科学コンピューティング研究局、およびロスアラモス国立研究所の研究所主導型研究開発プログラム。