Optimering af effektiviteten af ​​kvantekredsløb

Kvantekredsløb, byggestenene i kvantecomputere, bruge kvantemekaniske effekter til at udføre opgaver. De er meget hurtigere og mere præcise end de klassiske kredsløb, der findes i elektroniske enheder i dag. I virkeligheden, imidlertid, intet kvantekredsløb er fuldstændig fejlfrit. Maksimering af effektiviteten af ​​et kvantekredsløb er af stor interesse for forskere fra hele verden.

Forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har nu løst dette problem ved hjælp af en matematisk analog. De udtænkte en algoritme til eksplicit at tælle antallet af nødvendige computerressourcer, og optimeret den for at opnå maksimal effektivitet.

"Vi var i stand til [teoretisk] at bygge det mest effektive kredsløb og nedbringe mængden af ​​nødvendige ressourcer af en enorm faktor, " siger Aninda Sinha, Lektor ved Center for Højenergifysik, IISc, og tilsvarende forfatter til papiret udgivet i Fysisk gennemgangsbreve . Forskerne foreslår også, at dette er den maksimalt mulige effektivitet, der kan opnås for et kvantekredsløb.

Optimering af kvantekredsløbseffektivitet er nyttig på forskellige områder, især kvantecomputere. Ikke alene vil kvantecomputere give hurtigere og mere præcise resultater end klassiske computere, de vil også være mere sikre - de kan ikke hackes, hvilket gør dem nyttige til beskyttelse mod digital banksvindel, sikkerhedsbrud og datatyveri. De kan også bruges til at tackle komplicerede opgaver såsom optimering af transportproblemer og simulering af det finansielle marked.

Klassiske kredsløb består af universelle logiske porte (såsom NAND- og NOR-porte), som hver udfører foruddefinerede operationer på inputtet for at producere et output.

"Analogt, der er universelle kvanteporte til at lave kvantekredsløb. I virkeligheden, portene er ikke 100 procent effektive; der er altid en fejl forbundet med output fra hver gate. Og den fejl kan ikke fjernes; det bliver simpelthen ved med at tilføje for hver gate, der bruges i kredsløbet, " siger Pratik Nandy, Sinhas ph.d. studerende og en medforfatter til papiret.

Det mest effektive kredsløb minimerer ikke fejlen i outputtet; snarere minimerer det de ressourcer, der kræves for at opnå det samme output. "Så spørgsmålet koger ned til:givet en netto fejltolerance, hvad er det mindste antal porte, der er nødvendige for at bygge et kvantekredsløb?" siger Nandy.

I 2006 en undersøgelse ledet af Michael Nielsen, et tidligere fakultetsmedlem ved University of Queensland, viste, at at tælle antallet af porte for at opnå maksimal effektivitet svarer til at finde stien med den korteste afstand mellem to punkter i et matematisk rum med volumen V. En separat undersøgelse fra 2016 argumenterede for, at dette tal skulle variere direkte med V.

"Vi gik tilbage til Nielsens originale værk, og det viser sig, at hans porttælling ikke giver dig en variation med V, det varierer snarere med V ² , " siger Sinha. Han og hans team generaliserede undersøgelsens antagelser og introducerede et par modifikationer for at løse optimeringsproblemet. "Vores beregninger viste, at minimumsantallet af porte faktisk varierer direkte med volumen, " han siger.

Overraskende nok, deres resultater ser også ud til at forbinde effektivitetsoptimeringsproblemet med strengteori, en berømt idé, der forsøger at kombinere tyngdekraft og kvantefysik for at forklare, hvordan universet fungerer. Sinha og hans team mener, at dette link kan vise sig at være medvirkende til at hjælpe videnskabsmænd med at fortolke teorier, der involverer tyngdekraften. De har også til formål at udvikle metoder, der beskriver en samling af kvantekredsløb til at beregne visse eksperimentelle størrelser, der ikke teoretisk kan simuleres ved hjælp af eksisterende metoder.