Sådan kontrolleres, at kvantechips beregner korrekt

I et skridt mod praktisk kvanteberegning, forskere fra MIT, Google, og andre steder har designet et system, der kan verificere, hvornår kvantechips præcist har udført komplekse beregninger, som klassiske computere ikke kan.

Kvantechips udfører beregninger ved hjælp af kvantebits, kaldet "qubits, "der kan repræsentere de to tilstande, der svarer til klassiske binære bits - et nul eller et - eller en" kvante -superposition "af begge tilstande samtidigt. Den unikke superpositionstilstand kan gøre det muligt for kvantecomputere at løse problemer, der praktisk talt er umulige for klassiske computere, potentielt ansporende gennembrud inden for materialedesign, opdagelse af medicin, og maskinlæring, blandt andre applikationer.

Kvantecomputere i fuld skala kræver millioner af qubits, hvilket endnu ikke er muligt. I de seneste år, forskere er begyndt at udvikle "Noisy Intermediate Scale Quantum" (NISQ) chips, som indeholder omkring 50 til 100 qubits. Det er bare nok til at demonstrere "kvantefordel, "hvilket betyder, at NISQ -chippen kan løse visse algoritmer, der ikke kan håndteres for klassiske computere. Kontrollerer, at chipsene udførte operationer som forventet, imidlertid, kan være meget ineffektiv. Chips output kan se helt tilfældige ud, så det tager lang tid at simulere trin for at afgøre, om alt gik efter planen.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Naturfysik , forskerne beskriver en ny protokol for effektivt at kontrollere, at en NISQ -chip har udført alle de rigtige kvanteoperationer. De validerede deres protokol om et notorisk vanskeligt kvanteproblem, der kører på brugerdefineret kvantefotonisk chip.

"Da hurtige fremskridt inden for industrien og den akademiske verden bringer os til en række kvantemaskiner, der kan overgå klassiske maskiner, opgaven med kvanteverifikation bliver tidskritisk, "siger første forfatter Jacques Carolan, en postdoc i Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS) og Research Laboratory of Electronics (RLE). "Vores teknik giver et vigtigt redskab til at verificere en bred klasse af kvantesystemer. For hvis jeg investerer milliarder af dollars for at bygge en kvantechip, det er bedre at gøre noget interessant. "

Sammen med Carolan på papiret er forskere fra EECS og RLE ved MIT, samt fra Google Quantum AI Laboratory, Elenion Technologies, Lightmatter, og Zapata Computing.

Del og erobre

Forskernes arbejde sporer i det væsentlige en output -kvantetilstand genereret af kvantekredsløbet tilbage til en kendt input -tilstand. Hvis du gør det, afsløres hvilke kredsløbsoperationer der blev udført på input for at producere output. Disse operationer bør altid matche det, forskere programmerede. Hvis ikke, forskerne kan bruge oplysningerne til at finde ud af, hvor det gik galt på chippen.

Kernen i den nye protokol, kaldet "Variational Quantum Unsampling, "ligger en" opdel og erobre "tilgang, Carolan siger, der opdeler output -kvantetilstanden i bidder. "I stedet for at gøre det hele i ét skud, som tager meget lang tid, vi laver denne afkodning lag for lag. Dette giver os mulighed for at bryde problemet op for at tackle det på en mere effektiv måde, "Siger Carolan.

For det, forskerne tog inspiration fra neurale netværk - som løser problemer gennem mange lag af beregning - til at opbygge et nyt "kvante neuralt netværk" (QNN), hvor hvert lag repræsenterer et sæt kvanteoperationer.

For at køre QNN, de brugte traditionelle siliciumfremstillingsteknikker til at bygge en 2-by-5-millimeter NISQ-chip med mere end 170 kontrolparametre-afstembare kredsløbskomponenter, der gør det lettere at manipulere fotonvejen. Par fotoner genereres ved bestemte bølgelængder fra en ekstern komponent og injiceres i chippen. Fotonerne bevæger sig gennem chipens faseskift - som ændrer fotonenes vej - forstyrrer hinanden. Dette producerer en tilfældig kvanteudgangstilstand - som repræsenterer, hvad der ville ske under beregning. Outputtet måles ved hjælp af en række eksterne fotodetektorsensorer.

Denne output sendes til QNN. Det første lag bruger komplekse optimeringsteknikker til at grave igennem det støjende output for at identificere signaturen af ​​en enkelt foton blandt alle dem, der er krypteret sammen. Derefter, den "afkoder" den enkelte foton fra gruppen for at identificere, hvilke kredsløbsoperationer, der returnerer den til dens kendte indgangstilstand. Disse operationer skal matche nøjagtigt kredsløbets specifikke design til opgaven. Alle efterfølgende lag foretager den samme beregning - fjerner fra ligningen alle tidligere uskannede fotoner - indtil alle fotoner er afkodede.

Som et eksempel, sige, at inputtilstanden for qubits, der blev ført ind i processoren, alle var nuller. NISQ -chippen udfører en masse operationer på qubits for at generere en massiv, tilsyneladende tilfældigt skiftende nummer som output. (Et outputnummer vil konstant ændre sig, da det er i en kvantesuperposition.) QNN vælger bidder af det massive tal. Derefter, lag for lag, den bestemmer, hvilke operationer der vender hver qubit tilbage til sin input -tilstand på nul. Hvis nogen operationer adskiller sig fra de oprindelige planlagte operationer, så er der gået noget galt. Forskere kan inspicere eventuelle uoverensstemmelser mellem det forventede output til inputtilstande, og brug disse oplysninger til at justere kredsløbets design.

Boson "udtagning"

I forsøg, holdet kørte med succes en populær beregningsopgave, der blev brugt til at demonstrere kvantefordele, kaldet "bosonprøveudtagning, "som normalt udføres på fotoniske chips. I denne øvelse, faseskiftere og andre optiske komponenter vil manipulere og konvertere et sæt inputfotoner til en anden kvantesuperposition af outputfotoner. Ultimativt, opgaven er at beregne sandsynligheden for, at en bestemt indgangstilstand matcher en bestemt udgangstilstand. Det vil i det væsentlige være en prøve fra en vis sandsynlighedsfordeling.

Men det er næsten umuligt for klassiske computere at beregne disse prøver, på grund af fotons uforudsigelige opførsel. Det er blevet teoretiseret, at NISQ -chips kan beregne dem ret hurtigt. Indtil nu, imidlertid, der har ikke været nogen måde at kontrollere det hurtigt og nemt, på grund af kompleksiteten forbundet med NISQ -operationerne og selve opgaven.

"De samme egenskaber, som giver disse chips kvanteberegningskraft, gør dem næsten umulige at kontrollere, "Siger Carolan.

I forsøg, forskerne var i stand til at "afprøve" to fotoner, der var løbet igennem boson -prøveudtagningsproblemet på deres brugerdefinerede NISQ -chip - og på en brøkdel af tiden ville det tage traditionelle verifikationsmetoder.

"Dette er et glimrende papir, der anvender et ikke -lineært kvante neuralt netværk til at lære den ukendte enhedsoperation udført af en sort boks, "siger Stefano Pirandola, en professor i datalogi, der har specialiseret sig i kvanteteknologier ved University of York. "Det er klart, at denne ordning kan være meget nyttig til at verificere de faktiske porte, der udføres af et kvantekredsløb - [for eksempel] af en NISQ -processor. Fra dette synspunkt, ordningen fungerer som et vigtigt benchmarking -værktøj for fremtidige kvanteingeniører. Ideen blev bemærkelsesværdigt implementeret på en fotonisk kvantechip. "

Mens metoden var designet til kvanteverificeringsformål, det kan også hjælpe med at fange nyttige fysiske egenskaber, Siger Carolan. For eksempel, visse molekyler, når de ophidses, vil vibrere, udsender derefter fotoner baseret på disse vibrationer. Ved at injicere disse fotoner i en fotonisk chip, Carolan siger, afkodningsteknikken kunne bruges til at opdage oplysninger om disse molekylers kvantedynamik til hjælp i bioingeniørmolekylært design. Det kan også bruges til at afvikle fotoner, der bærer kvanteinformation, der har akkumuleret støj ved at passere gennem turbulente rum eller materialer.

"Drømmen er at anvende dette på interessante problemer i den fysiske verden, "Siger Carolan.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.