Quantum cloud computing med selvtjek

Med en kvante-coprocessor i skyen, fysikere fra Innsbruck, Østrig, åbne døren til simulering af tidligere uløselige problemer i kemi, materialeforskning eller højenergifysik. Forskergrupperne ledet af Rainer Blatt og Peter Zoller rapporterer i tidsskriftet Natur hvordan de simulerede partikelfysiske fænomener på 20 kvantebit, og hvordan kvantesimulatoren selvverificerede resultatet for første gang.

Mange forskere arbejder i øjeblikket på at undersøge, hvordan kvantefordele kan udnyttes på hardware, der allerede er tilgængelig i dag. Tre år siden, fysikere simulerede først den spontane dannelse af et par elementarpartikler med en digital kvantecomputer ved universitetet i Innsbruck. På grund af fejlprocenten, imidlertid, mere komplekse simuleringer ville kræve et stort antal kvantebits, som endnu ikke er tilgængelige i nutidens kvantecomputere. Den analoge simulering af kvantesystemer i en kvantecomputer har også snævre grænser. Ved at bruge en ny metode, forskere omkring Christian Kokail, Christine Maier og Rick van Bijnen ved Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) fra det østrigske videnskabsakademi har nu overskredet disse grænser. De bruger en programmerbar ionfælde-kvantecomputer med 20 kvantebits som en kvante-coprocessor, hvor kvantemekaniske beregninger, der når grænserne for klassiske computere, outsources. "Vi bruger de bedste funktioner fra begge teknologier, " forklarer den eksperimentelle fysiker Christine Maier. "Kvantesimulatoren overtager de beregningsmæssigt komplekse kvanteproblemer, og den klassiske computer løser de resterende opgaver."

Værktøjskasse til Quantum Modelers

Forskerne anvender variationsmetoden kendt fra teoretisk fysik, men anvende det på deres kvanteeksperiment. "Fordelen ved denne metode ligger i det faktum, at vi kan bruge kvantesimulatoren som en kvanteressource, der er uafhængig af det problem, der undersøges, " forklarer Rick van Bijnen. "På denne måde kan vi simulere meget mere komplekse problemer." En simpel sammenligning viser forskellen:en analog kvantesimulator er som et dukkehjem, det repræsenterer virkeligheden. Den programmerbare variationskvantesimulator, på den anden side, tilbyder individuelle byggeklodser, som mange forskellige huse kan bygges med. I kvantesimulatorer, disse byggeklodser er sammenfiltringsporte og enkeltspinrotationer. Med en klassisk computer, dette sæt af knapper er indstillet, indtil den tilsigtede kvantetilstand er nået. Til dette har fysikerne udviklet en sofistikeret optimeringsalgoritme, der i omkring 100, 000 anmodninger fra kvante-coprocessoren fra den klassiske computer fører til resultatet. Sammen med ekstremt hurtige målecyklusser af kvanteeksperimentet, simulatoren hos IQOQI Innsbruck bliver enormt kraftfuld. For første gang, fysikerne har simuleret den spontane skabelse og ødelæggelse af par af elementarpartikler i et vakuum på 20 kvantebits. Da den nye metode er meget effektiv, den kan også bruges på endnu større kvantesimulatorer. Innsbruck-forskerne planlægger at bygge en kvantesimulator med op til 50 ioner i den nærmeste fremtid. Dette åbner interessante perspektiver for yderligere undersøgelser af faststofmodeller og højenergifysiske problemer.

Indbygget selvtjek

Et tidligere uløst problem i komplekse kvantesimuleringer er verifikationen af ​​simuleringsresultaterne. "Sådanne beregninger kan næsten ikke eller slet ikke kontrolleres ved hjælp af klassiske computere. Så hvordan kontrollerer vi, om kvantesystemet leverer det rigtige resultat, " spørger den teoretiske fysiker Christian Kokail. "Vi har løst dette spørgsmål for første gang ved at foretage yderligere målinger i kvantesystemet. Baseret på resultaterne, kvantemaskinen vurderer kvaliteten af ​​simuleringen, " forklarer Kokail. En sådan verifikationsmekanisme er forudsætningen for endnu mere komplekse kvantesimuleringer, fordi det nødvendige antal kvantebit stiger kraftigt. "Vi kan stadig teste simuleringen på 20 kvantebits på en klassisk computer, men med mere komplekse simuleringer er dette simpelthen ikke længere muligt, " siger Rick van Bijnen. "I vores undersøgelse, kvanteeksperimentet var endnu hurtigere end kontrolsimuleringen på pc'en. Til sidst, vi var nødt til at tage den ud af løbet for ikke at bremse eksperimentet, siger fysikeren.