Anvendelse af partikelfysiske metoder til kvanteberegning

Lån en side fra lærebøger om højenergi fysik og astronomi, et team af fysikere og dataloger ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har med succes tilpasset og anvendt en almindelig fejlreduktionsteknik på kvanteberegningsområdet.

I verden af ​​subatomære partikler og kæmpe partikeldetektorer, og fjerne galakser og gigantiske teleskoper, videnskabsmænd har lært at leve, og at arbejde, med usikkerhed. De forsøger ofte at drille ultrasjældne partikelinteraktioner ud fra et massivt virvar af andre partikelinteraktioner og baggrundsstøj, der kan komplicere deres jagt, eller forsøger at filtrere virkningerne af atmosfæriske forvrængninger og interstellart støv fra for at forbedre opløsningen af ​​astronomisk billeddannelse.

Også, iboende problemer med detektorer, såsom deres evne til at registrere alle partikelinteraktioner eller nøjagtigt at måle partiklernes energier, kan resultere i, at data bliver forkert læst af den elektronik, de er forbundet til, så videnskabsmænd skal designe komplekse filtre, i form af computeralgoritmer, at reducere fejlmarginen og returnere de mest nøjagtige resultater.

Problemer med støj og fysiske defekter, og behovet for fejlkorrektion og fejlreduktionsalgoritmer, som reducerer hyppigheden og sværhedsgraden af ​​fejl, er også almindelige i det spæde felt inden for kvantecomputere, og en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet npj Kvanteinformation fandt ud af, at der ser ud til at være nogle almindelige løsninger, også.

Ben Nachman, en Berkeley Lab -fysiker, der er involveret i partikelfysiske eksperimenter på CERN som medlem af Berkeley Labs ATLAS -gruppe, så kvanteberegningsforbindelsen, mens han arbejdede på en partikelfysikberegning med Christian Bauer, en teoretisk fysiker fra Berkeley Lab, der er medforfatter til undersøgelsen. ATLAS er en af ​​de fire gigantiske partikeldetektorer på CERNs Large Hadron Collider, den største og kraftigste partikelkolliderer i verden.

"Hos ATLAS, vi må ofte 'folde ud' ' eller korrigere for detektoreffekter, " sagde Nachman, undersøgelsens hovedforfatter. "Folk har udviklet denne teknik i årevis."

I forsøg på LHC, partikler kaldet protoner kolliderer med en hastighed på omkring 1 milliard gange i sekundet. For at klare denne utroligt travle, "støjende" miljø og iboende problemer relateret til energiopløsningen og andre faktorer forbundet med detektorer, fysikere bruger fejlkorrigerende "udfoldelse" -teknikker og andre filtre til at nedbringe dette partikeljord til det mest nyttige, nøjagtige data.

"Vi indså, at nuværende kvantecomputere er meget støjende, også, " Nachman sagde, så at finde en måde at reducere denne støj og minimere fejl – fejlreduktion – er en nøgle til at fremme kvanteberegning. "En slags fejl er relateret til de faktiske operationer, du udfører, og man forholder sig til at udlæse kvantecomputerens tilstand, " bemærkede han - den første slags er kendt som en portfejl, og sidstnævnte kaldes en udlæsningsfejl.

Den seneste undersøgelse fokuserer på en teknik til at reducere udlæsningsfejl, kaldet "iterativ Bayesiansk udfoldelse" (IBU), som er velkendt for højenergifysiksamfundet. Undersøgelsen sammenligner effektiviteten af ​​denne tilgang med andre fejlkorrektions- og afhjælpningsteknikker. IBU-metoden er baseret på Bayes' sætning, som giver en matematisk måde at finde sandsynligheden for, at en begivenhed indtræffer, når der er andre forhold relateret til denne begivenhed, som allerede er kendte.

Nachman bemærkede, at denne teknik kan anvendes på kvanteanalogen af ​​klassiske computere, kendt som universelle gate-baserede kvantecomputere.

I kvanteberegning, som er afhængig af kvantebits, eller qubits, at medbringe information, den skrøbelige tilstand kendt som kvantesuperposition er svær at opretholde og kan henfalde over tid, får en qubit til at vise et nul i stedet for et - dette er et almindeligt eksempel på en udlæsningsfejl.

Superposition bestemmer, at en kvantebit kan repræsentere et nul, en ener, eller begge mængder på samme tid. Dette muliggør unikke computeregenskaber, som ikke er mulige i konventionel databehandling, som er afhængige af bits, der repræsenterer enten et et eller et nul, men ikke begge dele på én gang. En anden kilde til udlæsningsfejl i kvantecomputere er simpelthen en fejlagtig måling af en qubits tilstand på grund af computerens arkitektur.

I undersøgelsen, forskere simulerede en kvantecomputer for at sammenligne ydeevnen af ​​tre forskellige fejlkorrektionsteknikker (eller fejlreduktion eller udfoldelse). De fandt ud af, at IBU -metoden er mere robust i en meget støjende, fejltilbøjelige omgivelser, og lidt bedre end de to andre i nærvær af mere almindelige støjmønstre. Dens ydeevne blev sammenlignet med en fejlkorrektionsmetode kaldet Ignis, der er en del af en samling af open source-kvantecomputersoftwareudviklingsværktøjer udviklet til IBMs kvantecomputere, og en meget grundlæggende form for udfoldelse kendt som matrixinversionsmetoden.

Forskerne brugte det simulerede kvantecomputermiljø til at producere mere end 1, 000 pseudo-eksperimenter, og de fandt, at resultaterne for IBU-metoden var tættest på forudsigelser. Støjmodellerne, der blev brugt til denne analyse, blev målt på en 20-qubit kvantecomputer kaldet IBM Q Johannesburg.

"Vi tog en meget almindelig teknik fra højenergifysik, og anvendte det til kvanteberegning, og det fungerede rigtig godt - som det skulle, " sagde Nachman. Der var en stejl indlæringskurve. "Jeg var nødt til at lære alle mulige ting om kvantecomputere for at være sikker på, at jeg vidste, hvordan jeg skulle oversætte dette og implementere det på en kvantecomputer."

Han sagde, at han også var meget heldig at finde samarbejdspartnere til undersøgelsen med ekspertise inden for quantum computing på Berkeley Lab, herunder Bert de Jong, som leder et DOE Office of Advanced Scientific Computing Research Quantum Algorithms Team og et Accelerated Research for Quantum Computing -projekt i Berkeley Labs Computational Research Division.

"Det er spændende at se, hvordan den overflod af viden, som højenergifysiksamfundet har udviklet for at få mest muligt ud af støjende eksperimenter, kan bruges til at få mere ud af støjende kvantecomputere, " sagde de Jong.

De simulerede og reelle kvantecomputere, der blev brugt i undersøgelsen, varierede fra fem qubits til 20 qubits, og teknikken skal være skalerbar til større systemer, sagde Nachman. Men de fejlkorrektions- og fejlafhjælpningsteknikker, som forskerne testede, vil kræve flere computerressourcer, efterhånden som kvantecomputeres størrelse øges, så Nachman sagde, at holdet er fokuseret på, hvordan man gør metoderne mere overskuelige for kvantecomputere med større qubit-arrays.

Nachman, Bauer, og de Jong deltog også i en tidligere undersøgelse, der foreslår en måde at reducere gatefejl på, som er den anden store kilde til kvanteberegningsfejl. De mener, at fejlkorrektion og fejlreduktion i kvanteberegning i sidste ende kan kræve en mix-and-match-tilgang - ved at bruge en kombination af flere teknikker.

"Det er en spændende tid, "Sagde Nachman, da kvanteberegningen stadig er ung, og der er masser af plads til innovation. "Folk har i det mindste fået beskeden om denne type tilgange, og der er stadig plads til fremskridt." Han bemærkede, at kvanteberegning gav et "skub til at tænke på problemer på en ny måde, " tilføjer, "Det har åbnet op for nyt videnskabeligt potentiale."