Forskere når en milepæl inden for kvantestandardisering

Forskere ved University of Waterloo har udviklet en metode, der kan bane vejen for at etablere universelle standarder for måling af kvantecomputeres ydeevne.

Den nye metode, kaldet cyklusbenchmarking, giver forskere mulighed for at vurdere skalerbarhedens potentiale og sammenligne en kvanteplatform med en anden.

"Denne konstatering kan gå langt i retning af at etablere standarder for ydeevne og styrke indsatsen for at bygge en storstilet, praktisk kvantecomputer, sagde Joel Wallman, en adjunkt ved Waterloo's Matematiske Fakultet og Institut for Quantum Computing. "En ensartet metode til at karakterisere og korrigere fejlene i kvantesystemer giver standardisering for den måde, hvorpå en kvanteprocessor vurderes, gør det muligt at sammenligne fremskridt i forskellige arkitekturer retfærdigt."

Cycle benchmarking giver en løsning, der hjælper kvantecomputerbrugere med både at bestemme den komparative værdi af konkurrerende hardwareplatforme og øge hver platforms evne til at levere robuste løsninger til deres applikationer af interesse.

Gennembruddet kommer, mens kvanteberegningsræset hurtigt varmes op, og antallet af cloud quantum computing platforme og tilbud udvides hurtigt. Alene inden for den seneste måned, der har været betydelige meddelelser fra Microsoft, IBM og Google.

Denne metode bestemmer den samlede sandsynlighed for fejl under en given kvanteberegningsapplikation, når applikationen implementeres gennem randomiseret kompilering. Dette betyder, at cyklusbenchmarking giver det første tværplatformsmiddel til at måle og sammenligne kvanteprocessorernes evner, som er tilpasset brugernes interesseanvendelser.

"Takket være Googles nylige opnåelse af kvanteoverherredømme, vi er nu ved begyndelsen af ​​det, jeg kalder "kvanteopdagelsesæraen", sagde Joseph Emerson, et fakultetsmedlem på IQC. "Dette betyder, at fejltilbøjelige kvantecomputere vil levere løsninger på interessante beregningsproblemer, men kvaliteten af ​​deres løsninger kan ikke længere verificeres af højtydende computere.

"Vi er begejstrede, fordi cyklusbenchmarking giver en tiltrængt løsning til at forbedre og validere kvantecomputerløsninger i denne nye æra af kvanteopdagelse."

Emerson og Wallman grundlagde IQC spin-off Quantum Benchmark Inc., som allerede har licenseret denne teknologi til adskillige verdensførende udbydere af kvantecomputere, inklusive Googles Quantum AI-indsats.

Kvantecomputere tilbyder en fundamentalt mere kraftfuld måde at computere på, takket være kvantemekanikken. Sammenlignet med en traditionel eller digital computer, kvantecomputere kan løse visse typer problemer mere effektivt. Imidlertid, qubits - den grundlæggende behandlingsenhed i en kvantecomputer - er skrøbelige; enhver ufuldkommenhed eller kilde til støj i systemet kan forårsage fejl, der fører til forkerte løsninger under en kvanteberegning.

At få kontrol over en småskala kvantecomputer med kun en eller to qubits er det første skridt i en større, mere ambitiøs indsats. En større kvantecomputer kan muligvis udføre mere og mere komplekse opgaver, som maskinlæring eller simulering af komplekse systemer for at opdage nye farmaceutiske lægemidler. Konstruktion af en større kvantecomputer er udfordrende; spektret af fejlveje bliver mere kompliceret, efterhånden som qubits tilføjes og kvantesystemet skaleres.

Karakterisering af et kvantesystem producerer en profil af støj og fejl, angiver, om processoren udfører opgaverne eller beregningerne, det bliver bedt om at gøre. For at forstå ydeevnen af ​​enhver eksisterende kvantecomputer til et komplekst problem eller for at opskalere en kvantecomputer ved at reducere fejl, det er først nødvendigt at karakterisere alle væsentlige fejl, der påvirker systemet.

Wallman, Emerson og en gruppe forskere ved universitetet i Innsbruck identificerede en metode til at vurdere alle fejlrater, der påvirker en kvantecomputer. De implementerede denne nye teknik til ionfælde-kvantecomputeren på universitetet i Innsbruck og fandt ud af, at fejlrater ikke stiger, da størrelsen på den kvantecomputer opskalerer et meget lovende resultat.

"Cyklusbenchmarking er den første metode til pålideligt at kontrollere, om du er på rette vej til at opskalere det overordnede design af din kvantecomputer, " sagde Wallman. "Disse resultater er betydningsfulde, fordi de giver en omfattende måde at karakterisere fejl på tværs af alle kvantecomputerplatforme."

Papiret "Karakterisering af kvantecomputere i stor skala via cyklusbenchmarking" vises i Naturkommunikation .