Ny kvanteberegningsalgoritme springer tidligere tidsgrænser pålagt af dekohærens

En ny algoritme, der spoler simuleringer frem, kunne bringe større brugsmuligheder til nuværende og nære kvantecomputere, åbner vejen for, at applikationer kan køre forbi strenge tidsgrænser, der hæmmer mange kvanteberegninger.

"Kvantecomputere har en begrænset tid til at udføre beregninger før deres nyttige kvantenatur, som vi kalder sammenhæng, bryder sammen, " sagde Andrew Sornborger fra Computeren, beregningsmæssig, og Statistical Sciences division ved Los Alamos National Laboratory, og seniorforfatter på et papir, der annoncerer forskningen. "Med en ny algoritme har vi udviklet og testet, vi vil være i stand til at spole frem kvantesimuleringer for at løse problemer, der tidligere var uden for rækkevidde."

Computere bygget af kvantekomponenter, kendt som qubits, kan potentielt løse ekstremt vanskelige problemer, der overstiger mulighederne for selv de mest kraftfulde moderne supercomputere. Applikationer omfatter hurtigere analyse af store datasæt, udvikling af lægemidler, og optrævler mysterierne om superledning, for at nævne nogle af de muligheder, der kan føre til store teknologiske og videnskabelige gennembrud i den nærmeste fremtid.

Nylige eksperimenter har vist potentialet for kvantecomputere til at løse problemer på få sekunder, som ville tage de bedste konventionelle computer årtusinder at fuldføre. Udfordringen er fortsat, imidlertid, at sikre, at en kvantecomputer kan køre meningsfulde simuleringer, før kvantekohærens bryder sammen.

"Vi bruger maskinlæring til at skabe et kvantekredsløb, der kan tilnærme et stort antal kvantesimuleringsoperationer på én gang, " sagde Sornborger. "Resultatet er en kvantesimulator, der erstatter en sekvens af beregninger med en enkelt, hurtig drift, der kan fuldføres, før kvantekohærens bryder sammen."

Variational Fast Forwarding (VFF) algoritmen, som Los Alamos-forskerne udviklede, er en hybrid, der kombinerer aspekter af klassisk og kvanteberegning. Selvom veletablerede teoremer udelukker potentialet for generel hurtig fremsendelse med absolut troskab til vilkårlige kvantesimuleringer, forskerne kommer uden om problemet ved at tolerere små regnefejl for mellemtider for at give nyttige, hvis lidt ufuldkommen, forudsigelser.

I princippet, tilgangen gør det muligt for videnskabsmænd at kvantemekanisk simulere et system, så længe de vil. Rent praktisk set, de fejl, der opbygges efterhånden som simuleringstider øges, begrænser potentielle beregninger. Stadig, Algoritmen tillader simuleringer langt ud over de tidsskalaer, som kvantecomputere kan opnå uden VFF-algoritmen.

Et særpræg ved processen er, at det tager dobbelt så mange qubits at spole en beregning frem, end det ville udgøre kvantecomputeren, der hurtigt fremsendes. I det nyligt offentliggjorte blad, for eksempel, forskergruppen bekræftede deres tilgang ved at implementere en VFF-algoritme på en to qubit-computer for at fremspole de beregninger, der ville blive udført i en én qubit kvantesimulering.

I det fremtidige arbejde, Los Alamos-forskerne planlægger at udforske grænserne for VFF-algoritmen ved at øge antallet af qubits, de spole frem, og kontrollere, i hvilket omfang de kan spole systemer frem. Forskningen blev offentliggjort 18. september, 2020 i bladet npj Kvanteinformation .