Ny metode til systematisk at finde optimale kvanteoperationssekvenser for kvantecomputere

Japans National Institute of Information and Communications Technology, Keio University, Tokyo University of Science og University of Tokyo lykkedes for første gang med at udvikle en metode til systematisk at finde den optimale kvanteoperationssekvens for en kvantecomputer.

For at en kvantecomputer kan udføre en opgave, skal man skrive en sekvens af kvanteoperationer. Indtil nu har computeroperatører skrevet deres egne kvanteoperationssekvenser baseret på eksisterende metoder (opskrifter). Det, der er blevet udviklet denne gang, er en systematisk metode, der anvender optimal kontrolteori (GRAPE-algoritme) til at identificere den teoretisk optimale sekvens blandt alle tænkelige kvanteoperationssekvenser.

Denne metode forventes at blive et nyttigt værktøj til mellemstore kvantecomputere og forventes at bidrage til at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputere og reducere miljøpåvirkningen i den nærmeste fremtid.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i Physical Review A .

Kvantecomputere, som i øjeblikket er under udvikling, forventes at få stor indflydelse på samfundet. Deres fordele omfatter at reducere miljøbelastningen ved at reducere energiforbruget, finde nye kemiske stoffer til medicinsk brug og fremskynde søgen efter materialer til et renere miljø.

Et af de store problemer for kvantecomputere er, at kvantetilstanden er meget følsom over for støj, så det er svært at holde den stabilt i lang tid (ved at opretholde en sammenhængende kvantetilstand). For at opnå den bedste ydeevne er det nødvendigt at gennemføre operationerne inden for den tid, hvor den sammenhængende kvantetilstand opretholdes. Der var behov for en metode til systematisk at identificere de optimale sekvenser.

Præstationer

Forskerholdet har udviklet en systematisk metode til at identificere den optimale kvanteoperationssekvens.

Når en computer gemmer og behandler information, konverteres al information til en streng af bit med værdierne 0 eller 1. En kvanteoperationssekvens er et computerprogram skrevet i et menneskeligt læsbart sprog, der konverteres, så det kan behandles af en kvantecomputer. Kvanteoperationssekvensen består af 1-qubit-operationer og 2-qubit-operationer. Den bedste sekvens er den med færrest handlinger og viser den bedste ydeevne.

Den nye metode analyserer alle mulige sekvenser af elementære kvanteoperationer ved hjælp af en beregningsalgoritme kaldet GRAPE, en numerisk optimal kontrolteorialgoritme. Specifikt opretter den en tabel over kvanteoperationssekvenser og ydeevneindekset (fidelity F) for hver sekvens, der spænder fra tusinder til millioner, afhængigt af antallet af qubits og antallet af operationer, der undersøges. Den optimale kvanteoperationssekvens identificeres systematisk baseret på de akkumulerede data.

Det er også muligt for den nye metode at analysere den komplette liste over alle kvanteoperationssekvenser og evaluere konventionelle opskrifter. Som sådan kan det være et værdifuldt værktøj til at etablere benchmarks for tidligere og fremtidig forskning om ydeevnen af ​​få-qubit kvantealgoritmer.

Fremtidsudsigter

Den systematiske metode til at finde den optimale kvanteoperationssekvens for kvantecomputere forventes at blive et nyttigt værktøj for mellemstore kvantecomputere. I den nærmeste fremtid forventes det at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputere og bidrage til at reducere belastningen på miljøet.

Holdet fandt også ud af, at der er mange optimale sekvenser af kvanteoperationer, der er fremragende. Dette betyder, at en probabilistisk tilgang kunne udvide anvendeligheden af ​​denne nye metode til større opgaver. Tilgange baseret på analyse af store datasæt antyder muligheden for at integrere maskinlæring med denne nye metode for yderligere at forbedre forudsigelseskraften. I fremtiden vil forskerholdet anvende de opnåede resultater denne gang til optimering af opgaver opnået fra faktiske kvantealgoritmer. + Udforsk yderligere

Kvantekontrol til avanceret teknologi:Fortid og nutid