Los Alamos rapporterer maskinvaretilnærming tilbyr nytt kvantedatabehandlingsparadigme - Nyhetsanalyse for høyytelses databehandling

Publisert av Platon

Følgere: 0

Nikolai Sinitsyn, til høyre

15. august 2023 – Los Alamost National Laboratory rapporterte i dag at en potensielt spillendrende teoretisk tilnærming til kvantedatamaskinvare unngår noe av kompleksiteten som finnes i kvantedatamaskiner. Strategien implementerer en algoritme i naturlige kvanteinteraksjoner for å behandle en rekke virkelige problemer raskere enn klassiske datamaskiner eller konvensjonelle portbaserte kvantedatamaskiner kan, sa laboratoriet.

"Funnet vårt eliminerer mange utfordrende krav til kvantemaskinvare," sa Nikolai Sinitsyn, en teoretisk fysiker ved Los Alamos National Laboratory. Han er medforfatter av a papir om tilnærmingen i tidsskriftet Physical Review A. "Naturlige systemer, slik som elektroniske spinn av defekter i diamant, har akkurat den typen interaksjoner som trengs for vår beregningsprosess."

Sinitsyn sa at teamet håper å samarbeide med eksperimentelle fysikere ved Los Alamos for å demonstrere deres tilnærming ved å bruke ultrakalde atomer. Moderne teknologier i ultrakalde atomer er tilstrekkelig avanserte til å demonstrere slike beregninger med omtrent 40 til 60 qubits, sa han, noe som er nok til å løse mange problemer som for tiden ikke er tilgjengelige med klassisk eller binær beregning. En qubit er den grunnleggende enheten for kvanteinformasjon, analogt med en bit i kjent klassisk databehandling.

I stedet for å sette opp et komplekst system med logiske porter blant en rekke qubits som alle må dele kvanteforviklinger, bruker den nye strategien et enkelt magnetfelt for å rotere qubitene, for eksempel spinnene til elektroner, i et naturlig system. Den nøyaktige utviklingen av spinntilstandene er alt som trengs for å implementere algoritmen. Sinitsyn sa at tilnærmingen kunne brukes til å løse mange praktiske problemer foreslått for kvantedatamaskiner.

Kvanteberegning forblir et begynnende felt som er handikappet av vanskeligheten med å koble qubits i lange strenger av logiske porter og opprettholde kvantesammenfiltringen som kreves for beregning. Entanglement bryter sammen i en prosess kjent som dekoherens, ettersom de sammenfiltrede qubitene begynner å samhandle med verden utenfor datamaskinens kvantesystem, og introduserer feil. Det skjer raskt, og begrenser beregningstiden. Sann feilretting er ennå ikke implementert på kvantemaskinvare.

Den nye tilnærmingen er avhengig av naturlig snarere enn indusert sammenfiltring, så den krever færre forbindelser mellom qubits. Det reduserer virkningen av dekoherens. Dermed lever qubitene relativt lenge, sa Sinitsyn.

Los Alamos-teamets teoretiske papir viste hvordan tilnærmingen kunne løse et nummerpartisjoneringsproblem ved å bruke Grovers algoritme raskere enn eksisterende kvantedatamaskiner. Som en av de mest kjente kvantealgoritmene tillater den ustrukturerte søk i store datasett som sluker konvensjonelle dataressurser. For eksempel, sa Sinitsyn, Grovers algoritme kan brukes til å dele opp kjøretiden for oppgaver likt mellom to datamaskiner, slik at de blir ferdige samtidig, sammen med andre praktiske jobber. Algoritmen er godt egnet til idealiserte, feilkorrigerte kvantedatamaskiner, selv om den er vanskelig å implementere på dagens feilutsatte maskiner.

Kvantedatamaskiner er bygget for å utføre beregninger mye raskere enn noen klassisk enhet kan gjøre, men de har vært ekstremt vanskelige å realisere så langt, sa Sinitsyn. En konvensjonell kvantedatamaskin implementerer kvantekretser - sekvenser av elementære operasjoner med forskjellige par qubits.

Los Alamos-teoretikerne foreslo et spennende alternativ.

"Vi la merke til at for mange kjente beregningsproblemer er det tilstrekkelig å ha et kvantesystem med elementære interaksjoner, der bare et enkelt kvantespinn - realiserbart med to qubits - samhandler med resten av beregningskvbitene," sa Sinitsyn. "Så implementerer en enkelt magnetisk puls som bare virker på det sentrale spinnet den mest komplekse delen av kvante Grovers algoritme." Kalt Grovers orakel, peker denne kvanteoperasjonen på den ønskede løsningen.

"Ingen direkte interaksjoner mellom de beregningsmessige qubits og ingen tidsavhengige interaksjoner med det sentrale spinnet er nødvendig i prosessen," sa han. Når de statiske koblingene mellom det sentrale spinnet og qubits er satt, består hele beregningen bare av å bruke enkle tidsavhengige eksterne feltpulser som roterer spinnene, sa han.

Det er viktig at teamet beviste at slike operasjoner kan gjøres raskt. Teamet oppdaget også at deres tilnærming er topologisk beskyttet. Det vil si at den er robust mot mange feil i presisjonen til kontrollfeltene og andre fysiske parametere selv uten kvantefeilkorreksjon.

Avisen: "Topologisk beskyttet Grovers orakel for partisjonsproblemet." Fysisk gjennomgang A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Finansiering: Department of Energy Office of Science, Office of Advanced Scientific Computing Research og Laboratory Directed Research and Development-programmet ved Los Alamos National Laboratory.