Frigørelse af kvantecomputerkraft:Automatiseret protokoldesign til kvantefordel

Forestil dig en verden, hvor komplekse beregninger, der i øjeblikket tager måneder for vores bedste supercomputere at knække, kan udføres på få minutter. Quantum computing revolutionerer vores digitale verden. I en forskningsartikel offentliggjort i Intelligent Computing , afslørede forskere en automatiseret protokoldesign-tilgang, der kunne låse op for beregningskraften ved kvanteenheder hurtigere, end vi havde forestillet os.

Kvanteberegningsfordele repræsenterer en kritisk milepæl i udviklingen af ​​kvanteteknologier. Det betyder kvantecomputeres evne til at udkonkurrere klassiske supercomputere i visse opgaver. Opnåelse af kvanteberegningsfordele kræver specialdesignede protokoller. Tilfældig kredsløbsprøvetagning, for eksempel, har vist lovende resultater i de seneste eksperimenter.

Et problem, der skal overvejes i forsøg på at bruge tilfældig kredsløbssampling, er, at strukturen af ​​et tilfældigt kvantekredsløb skal designes omhyggeligt for at forstørre kløften mellem kvanteberegning og klassisk simulering. For at løse udfordringen udviklede forskerne He-Liang Huang, Youwei Zhao og Chu Guo en automatiseret protokoldesign-tilgang til at bestemme det optimale tilfældige kvantekredsløb i kvanteberegningsfordelsforsøg.

Kvanteprocessorarkitekturen, der bruges til tilfældige kredsløbsprøveeksperimenter, bruger 2-qubit-gatemønstre. 2-qubit-porten realiserer interaktionen mellem de to qubits ved at virke på de to qubits tilstande og derved konstruere et kvantekredsløb og realisere kvanteberegning.

Det er nødvendigt at maksimere de klassiske simuleringsomkostninger for at sikre, at den overlegne ydeevne af kvanteberegning udnyttes fuldt ud, når der udføres beregninger. Det er imidlertid ikke ligetil at bestemme det optimale tilfældige kvantekredsløbsdesign for at maksimere klassiske simuleringsomkostninger.

At finde det optimale tilfældige kvantekredsløb kræver først at udtømme alle mulige mønstre, derefter estimere de klassiske simuleringsomkostninger for hver af dem og vælge den med den højeste pris. De klassiske simuleringsomkostninger er meget afhængige af den anvendte algoritme, men den traditionelle algoritme har i øjeblikket den begrænsning, at estimeringstiden er for lang.

Den nye metode foreslået af forfatterne bruger Schrödinger-Feynman-algoritmen. Denne algoritme opdeler systemet i to undersystemer og repræsenterer deres kvantetilstande som tilstandsvektorer. Omkostningerne ved algoritmen bestemmes af den sammenfiltring, der genereres mellem de to undersystemer. Evaluering af kompleksitet ved hjælp af denne algoritme kræver meget mindre tid, og fordelene bliver mere tydelige, efterhånden som den tilfældige kvantekredsløbsstørrelse øges.

Forfatterne beviste eksperimentelt effektiviteten af ​​det tilfældige kvantekredsløb opnået ved den foreslåede metode sammenlignet med andre algoritmer. Fem tilfældige kvantekredsløb blev genereret i Zuchongzhi 2.0 kvanteprocessoren, hver med en forskellig Schrödinger-Feynman-algoritmekompleksitet. Eksperimentelle resultater viser, at kredsløb med højere kompleksitet også har højere omkostninger.

Rivaliseringen mellem klassisk og kvanteberegning forventes at afslutte inden for et årti. Denne nye tilgang maksimerer beregningskraften ved kvanteberegning uden at stille nye krav til kvantehardwaren. Derudover kan hovedårsagen til, at denne nye tilgang kan opnå tilfældige kvantekredsløb med højere klassiske simuleringsomkostninger, være den hurtigere vækst af kvantesammenfiltring.

I fremtiden kan forståelsen af ​​dette fænomen og dets underliggende fysik hjælpe forskere med at udforske praktiske anvendelser ved hjælp af kvantefordeleseksperimenter.

Flere oplysninger: He-Liang Huang et al., Hvordan man designer et klassisk vanskeligt tilfældigt kvantekredsløb til kvanteberegningsfordeleseksperimenter, Intelligent Computing (2024). DOI:10.34133/icomputing.0079

Leveret af Intelligent Computing