Los Alamos rapporteert hardware-aanpak biedt nieuw quantum computing-paradigma - High-Performance Computing Nieuwsanalyse | binnenHPC

Los Alamos meldt dat hardwarebenadering nieuw kwantumcomputingparadigma biedt – High-Performance Computing Nieuwsanalyse | binnenHPC

Tijdstempel: 15 augustus 2023 3:30 uur
Bronknooppunt: 2824860

Nikolai Sinitsyn, rechts

15 augustus 2023 - Los Alamost National Laboratory meldde vandaag dat een potentieel baanbrekende theoretische benadering van kwantumcomputerhardware een deel van de complexiteit van kwantumcomputers vermijdt. De strategie implementeert een algoritme in natuurlijke kwantuminteracties om verschillende problemen uit de echte wereld sneller te verwerken dan klassieke computers of conventionele op poorten gebaseerde kwantumcomputers, aldus het lab.

"Onze bevinding elimineert veel uitdagende vereisten voor kwantumhardware", zegt Nikolai Sinitsyn, een theoretisch fysicus aan het Los Alamos National Laboratory. Hij is co-auteur van een papier over de aanpak in het tijdschrift Physical Review A. "Natuurlijke systemen, zoals de elektronische spins van defecten in diamant, hebben precies het soort interacties dat nodig is voor ons rekenproces."

Sinitsyn zei dat het team hoopt samen te werken met experimentele natuurkundigen in Los Alamos om hun aanpak met behulp van ultrakoude atomen te demonstreren. Moderne technologieën in ultrakoude atomen zijn voldoende geavanceerd om dergelijke berekeningen met ongeveer 40 tot 60 qubits te demonstreren, zei hij, wat genoeg is om veel problemen op te lossen die momenteel niet toegankelijk zijn voor klassieke of binaire berekeningen. Een qubit is de basiseenheid van kwantuminformatie, analoog aan een bit in het vertrouwde klassieke computergebruik.

In plaats van een complex systeem van logische poorten op te zetten tussen een aantal qubits die allemaal kwantumverstrengeling moeten delen, gebruikt de nieuwe strategie een eenvoudig magnetisch veld om de qubits, zoals de spins van elektronen, in een natuurlijk systeem te laten roteren. De precieze evolutie van de spintoestanden is alles wat nodig is om het algoritme te implementeren. Sinitsyn zei dat de aanpak kan worden gebruikt om veel praktische problemen op te lossen die worden voorgesteld voor kwantumcomputers.

Kwantumcomputing blijft een opkomend veld dat wordt gehinderd door de moeilijkheid om qubits in lange reeksen logische poorten te verbinden en de kwantumverstrengeling te behouden die nodig is voor berekeningen. Verstrengeling wordt afgebroken in een proces dat bekend staat als decoherentie, wanneer de verstrengelde qubits beginnen te interageren met de wereld buiten het kwantumsysteem van de computer, waardoor fouten worden geïntroduceerd. Dat gaat snel, waardoor de rekentijd wordt beperkt. Echte foutcorrectie is nog niet geïmplementeerd op kwantumhardware.

De nieuwe aanpak is gebaseerd op natuurlijke in plaats van geïnduceerde verstrengeling, waardoor er minder verbindingen tussen qubits nodig zijn. Dat vermindert de impact van decoherentie. De qubits leven dus relatief lang, zei Sinitsyn.

Het theoretische artikel van het Los Alamos-team liet zien hoe de aanpak een nummerpartitioneringsprobleem sneller kon oplossen met behulp van het algoritme van Grover dan met bestaande kwantumcomputers. Als een van de bekendste kwantumalgoritmen maakt het ongestructureerde zoekopdrachten mogelijk van grote datasets die conventionele computerbronnen opslokken. Sinitsyn zei bijvoorbeeld dat het algoritme van Grover kan worden gebruikt om de runtime voor taken gelijkelijk over twee computers te verdelen, zodat ze tegelijkertijd klaar zijn, samen met andere praktische taken. Het algoritme is zeer geschikt voor geïdealiseerde, foutgecorrigeerde kwantumcomputers, hoewel het moeilijk te implementeren is op de foutgevoelige machines van vandaag.

Kwantumcomputers zijn gebouwd om berekeningen veel sneller uit te voeren dan welk klassiek apparaat dan ook, maar tot nu toe was het buitengewoon moeilijk om ze te realiseren, zei Sinitsyn. Een conventionele kwantumcomputer implementeert kwantumcircuits - opeenvolgingen van elementaire bewerkingen met verschillende paren qubits.

De theoretici van Los Alamos stelden een intrigerend alternatief voor.

"We hebben gemerkt dat het voor veel beroemde rekenproblemen voldoende is om een ​​kwantumsysteem te hebben met elementaire interacties, waarin slechts een enkele kwantumspin - realiseerbaar met twee qubits - interageert met de rest van de rekenqubits", zei Sinitsyn. "Vervolgens implementeert een enkele magnetische puls die alleen op de centrale spin inwerkt, het meest complexe deel van het quantum Grover-algoritme." Deze kwantumoperatie, die het orakel van Grover wordt genoemd, wijst naar de gewenste oplossing.

"Er zijn geen directe interacties tussen de computationele qubits en geen tijdsafhankelijke interacties met de centrale spin nodig", zei hij. Zodra de statische koppelingen tussen de centrale spin en qubits zijn ingesteld, bestaat de hele berekening alleen uit het toepassen van eenvoudige tijdsafhankelijke externe veldpulsen die de spins roteren, zei hij.

Belangrijk is dat het team heeft bewezen dat dergelijke operaties snel kunnen worden uitgevoerd. Het team ontdekte ook dat hun nadering topologisch beschermd is. Dat wil zeggen, het is robuust tegen veel fouten in de precisie van de besturingsvelden en andere fysieke parameters, zelfs zonder kwantumfoutcorrectie.

De krant: "Topologisch beschermd Grover's orakel voor het partitieprobleem." Fysieke beoordeling A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Financiering: Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research en het Laboratory Directed Research and Development-programma in Los Alamos National Laboratory.

Tijdstempel:

Meer van Binnen HPC