Los Alamos raportuje, że podejście sprzętowe oferuje nowy paradygmat obliczeń kwantowych — analiza wiadomości o obliczeniach wysokiej wydajności

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Nikołaj Sinicyn, po prawej

15 sierpnia 2023 r. — Los Alamost National Laboratory poinformowało dzisiaj, że potencjalnie przełomowe podejście teoretyczne do sprzętu do obliczeń kwantowych pozwala uniknąć części złożoności występującej w komputerach kwantowych. Laboratorium powiedziało, że strategia implementuje algorytm w naturalnych interakcjach kwantowych, aby przetwarzać różne rzeczywiste problemy szybciej niż klasyczne komputery lub konwencjonalne komputery kwantowe oparte na bramkach.

„Nasze odkrycie eliminuje wiele trudnych wymagań dotyczących sprzętu kwantowego” – powiedział Nikolai Sinitsyn, fizyk teoretyczny z Los Alamos National Laboratory. Jest współautorem A papier na temat podejścia opisanego w czasopiśmie Physical Review A. „Układy naturalne, takie jak elektronowe spiny defektów w diamencie, mają dokładnie takie interakcje, jakie są potrzebne w naszym procesie obliczeniowym”.

Sinitsyn powiedział, że zespół ma nadzieję współpracować z fizykami eksperymentalnymi z Los Alamos, aby zademonstrować swoje podejście przy użyciu ultrazimnych atomów. Powiedział, że nowoczesne technologie w ultrazimnych atomach są wystarczająco zaawansowane, aby zademonstrować takie obliczenia za pomocą około 40 do 60 kubitów, co wystarczy do rozwiązania wielu problemów, które obecnie nie są dostępne za pomocą obliczeń klasycznych lub binarnych. Kubit to podstawowa jednostka informacji kwantowej, analogiczna do bitu w znanych klasycznych komputerach.

Zamiast tworzyć złożony system bramek logicznych wśród wielu kubitów, z których wszystkie muszą dzielić splątanie kwantowe, nowa strategia wykorzystuje proste pole magnetyczne do obracania kubitów, takich jak spiny elektronów, w układzie naturalnym. Precyzyjna ewolucja stanów spinowych to wszystko, czego potrzeba do zaimplementowania algorytmu. Sinitsyn powiedział, że podejście to można wykorzystać do rozwiązania wielu praktycznych problemów proponowanych dla komputerów kwantowych.

Obliczenia kwantowe pozostają rodzącą się dziedziną, której utrudnieniem jest trudność łączenia kubitów w długie ciągi bramek logicznych i utrzymywania splątania kwantowego wymaganego do obliczeń. Splątanie rozpada się w procesie znanym jako dekoherencja, gdy splątane kubity zaczynają wchodzić w interakcje ze światem poza systemem kwantowym komputera, wprowadzając błędy. Dzieje się to szybko, ograniczając czas obliczeń. Rzeczywista korekcja błędów nie została jeszcze zaimplementowana na sprzęcie kwantowym.

Nowe podejście opiera się raczej na naturalnym niż indukowanym splątaniu, więc wymaga mniejszej liczby połączeń między kubitami. Zmniejsza to wpływ dekoherencji. Tak więc kubity żyją stosunkowo długo, powiedział Sinitsyn.

Artykuł teoretyczny zespołu z Los Alamos pokazał, w jaki sposób to podejście może rozwiązać problem podziału liczb przy użyciu algorytmu Grovera szybciej niż istniejące komputery kwantowe. Jako jeden z najbardziej znanych algorytmów kwantowych umożliwia nieustrukturyzowane przeszukiwanie dużych zbiorów danych, które pochłaniają konwencjonalne zasoby obliczeniowe. Na przykład, powiedział Sinitsyn, algorytm Grovera może być użyty do równego podziału czasu wykonywania zadań na dwa komputery, tak aby kończyły się one w tym samym czasie, wraz z innymi praktycznymi zadaniami. Algorytm dobrze nadaje się do wyidealizowanych komputerów kwantowych z korekcją błędów, chociaż trudno jest go wdrożyć na dzisiejszych maszynach podatnych na błędy.

Komputery kwantowe są zbudowane do wykonywania obliczeń znacznie szybciej niż jakiekolwiek klasyczne urządzenie, ale jak dotąd niezwykle trudno było je zrealizować, powiedział Sinitsyn. Konwencjonalny komputer kwantowy implementuje obwody kwantowe — sekwencje operacji elementarnych z różnymi parami kubitów.

Teoretycy z Los Alamos zaproponowali intrygującą alternatywę.

„Zauważyliśmy, że w przypadku wielu słynnych problemów obliczeniowych wystarczy mieć układ kwantowy z elementarnymi interakcjami, w którym tylko jeden spin kwantowy – możliwy do zrealizowania za pomocą dwóch kubitów – oddziałuje z resztą kubitów obliczeniowych” – powiedział Sinitsyn. „Następnie pojedynczy impuls magnetyczny, który działa tylko na centralny spin, realizuje najbardziej złożoną część algorytmu kwantowego Grovera”. Ta operacja kwantowa, zwana wyrocznią Grovera, wskazuje na pożądane rozwiązanie.

„W tym procesie nie są potrzebne żadne bezpośrednie interakcje między kubitami obliczeniowymi ani zależne od czasu interakcje z centralnym spinem” – powiedział. Powiedział, że po ustawieniu statycznych sprzężeń między centralnym spinem a kubitami całe obliczenie polega jedynie na zastosowaniu prostych zależnych od czasu impulsów pola zewnętrznego, które obracają spiny.

Co ważne, zespół udowodnił, że takie operacje można wykonać szybko. Zespół odkrył również, że ich podejście jest chronione topologicznie. Oznacza to, że jest odporny na wiele błędów w precyzji pól kontrolnych i innych parametrów fizycznych, nawet bez kwantowej korekcji błędów.

Artykuł: „Topologicznie chroniona wyrocznia Grovera dla problemu partycji”. Przegląd fizyczny A. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

Finansowanie: Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Zaawansowanych Badań Informatycznych oraz Program Badań i Rozwoju kierowanego przez Laboratorium w Los Alamos National Laboratory.