Styring mod kvantesimulering i skala

Forskere simulerede en nøglekvantetilstand i en af ​​de største rapporterede skalaer med støtte fra Quantum Computing User Program eller QCUP ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

De teknikker, som holdet bruger, kan hjælpe med at udvikle kvantesimuleringsevner til den næste generation af kvantecomputere.

Undersøgelsen brugte Quantinuums H1-1-computer til at modellere en kvanteversion af en klassisk matematisk model, der sporer, hvordan en sygdom spredes. Tid på computeren blev leveret af QCUP, en del af Oak Ridge Leadership Computing Facility, som tildeler tid på privatejede kvanteprocessorer rundt om i landet for at støtte forskningsprojekter.

Modellen brugte kvantebits eller qubits til at simulere overgangen mellem aktive tilstande, såsom infektion, og inaktive tilstande, såsom død eller bedring.

"Målet med denne undersøgelse var at arbejde hen imod at opbygge kapaciteter på en kvantecomputer for at løse dette problem og andre lignende det, som er svære at beregne på konventionelle computere," sagde Andrew Potter, en medforfatter af undersøgelsen og assisterende professor i fysik ved University of British Columbia i Vancouver.

"Dette eksperiment modellerer forsøg på at styre et kvantesystem mod en bestemt tilstand, mens det konkurrerer med kvanteudsvingene væk fra denne tilstand. Der er et overgangspunkt, hvor disse konkurrerende effekter nøjagtigt balancerer. Det punkt adskiller en fase, hvor styringen lykkes, og hvor den fejler. "

Jo længere systemet bevæger sig ud af ligevægt, jo mere sandsynligt vil klassiske versioner af modellen bryde sammen på grund af størrelsen og kompleksiteten af ​​ligningerne. Forskerholdet søgte at bruge kvanteberegning til at modellere disse dynamikker.

Klassiske computere gemmer information i bits lig med enten 0 eller 1. Med andre ord eksisterer en klassisk bit, ligesom en lyskontakt, i en af ​​to tilstande:tændt eller slukket. Denne binære dynamik passer ikke nødvendigvis til modellering af overgangstilstande som dem, der er studeret i sygdomsmodellen.

Kvanteberegning bruger kvantemekanikkens love til at lagre information i qubits, kvanteækvivalenten af ​​bits. Qubits kan eksistere i mere end én tilstand samtidigt via kvantesuperposition, hvilket gør det muligt for qubits at bære mere information end klassiske bits.

I kvantesuperposition kan en qubit eksistere i to tilstande på samme tid, svarende til en roterende mønt - hverken hoveder eller haler for mønten, hverken den ene frekvens eller den anden for qubitten. Måling af værdien af ​​qubit bestemmer sandsynligheden for at måle en af ​​de to mulige værdier, svarende til at stoppe mønten på hoveder eller haler. Denne dynamik giver mulighed for en bredere vifte af mulige værdier, der kan bruges til at studere komplekse spørgsmål som overgangstilstande.

Forskere håber, at disse muligheder vil drive en kvanterevolution, der ser kvantecomputere overgå klassiske maskiner i hastighed og kraft. De qubits, der bruges af nuværende kvantemaskiner, har dog en tendens til let at nedbrydes. Dette henfald forårsager høje fejlrater, der kan forvirre resultater fra enhver model, der er større end et testproblem.

Potter og hans kolleger fik tid via QCUP på Quantinuum-computeren, som bruger fangede ioner som qubits. De målte kredsløb eller kvanteporte gennem hele løbet og brugte en teknik kendt som qubit-genbrug for at eliminere forringede qubits.

"Vi brugte kvanteprocessoren til at simulere et system, hvor aktive qubits har evnen til at aktivere tilstødende qubits eller blive inaktive," sagde Potter. "Ved at overvåge systemet i realtid på hvert trin og teste, mens vi går, kunne vi opdage sandsynligheden for, at udførelse af en kvanteport på en qubit kunne påvirke tilstanden af ​​en qubit og, hvis ikke, fjerne den fra beregningen. Dette måde undgår vi chancen for, at fejl kan snige sig ind."

Holdet fastslog, at de kunne bruge deres tilgang på 20 qubits til at holde fejl nede og simulere et kvantesystem næsten fire gange så stor. De vurderede til 70 qubits, at deres tilgang kunne svare til eller overgå en klassisk computers muligheder.

"Dette er første gang, metoden er blevet brugt til et system af denne størrelse," sagde Potter.

De næste trin omfatter anvendelse af qubit-genanvendelse på kvanteproblemer, såsom simulering af materialers egenskaber og beregning af deres laveste energitilstande eller kvantegrundtilstande.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Nature Physics .

Flere oplysninger: Eli Chertkov et al., Karakterisering af en ikke-ligevægtsfaseovergang på en kvantecomputer, Naturfysik (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02199-w

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Oak Ridge National Laboratory