Komputery kwantowe działają przy użyciu bramek kwantowych, ale złożoność i duża liczba tych bramek może zmniejszyć ich wydajność. Nowe podejście „hybrydowe” zmniejsza tę złożoność poprzez wykorzystanie naturalnych interakcji systemowych, dzięki czemu algorytmy kwantowe są łatwiejsze do wykonania.
Ta innowacja pomaga uporać się z nieodłącznymi problemami związanymi z „szumem” obecnych systemów kwantowych, poprawiając ich praktyczne zastosowanie. Podejście to zostało skutecznie zademonstrowane za pomocą algorytmu Grovera, umożliwiającego wydajne przeszukiwanie dużych zbiorów danych bez obszernej korekcji błędów.
Wyzwania obliczeń kwantowych
Komputery kwantowe działają w oparciu o podstawowe jednostki zwane bramkami kwantowymi, które w koncepcji są podobne do bramek logicznych stosowanych w klasycznych komputerach. Bramki logiczne wykonują podstawowe operacje na danych, takie jak „i”, „lub” lub „nie”. Aby algorytm mógł działać na komputerze kwantowym, należy go najpierw rozłożyć na szereg podstawowych bramek kwantowych. Jednak proces ten może być bardzo złożony i często wymagać dużej liczby operacji na bramkach kwantowych, co może zmniejszyć zalety obliczeniowe systemów kwantowych.
Aby sprostać temu wyzwaniu, badacze wprowadzili innowacyjne „hybrydowe” podejście do projektowania sprzętu kwantowego. Metoda ta zastępuje pewne części obwodu kwantowego ewolucją fizyczną, która wykorzystuje naturalne interakcje układu. Dzięki temu podejście hybrydowe znacznie upraszcza wykonywanie algorytmów kwantowych w porównaniu z metodami tradycyjnymi, czyniąc je bardziej wydajnymi i praktycznymi.
Obecne komputery kwantowe średniej skali nie są jeszcze praktyczne ze względu na „szum”. Szum ten powstaje, ponieważ kubity – najbardziej podstawowe elementy komputera kwantowego – mogą wchodzić w interakcje ze środowiskiem zewnętrznym. To wprowadza błędy. Błędy te pojawiają się szybko, ograniczając czas, w którym komputer kwantowy może działać dokładnie. Prawdziwe metody korekcji błędów są dalekie od niezawodności. Hybrydowa konstrukcja sprzętu może umożliwić naukowcom uruchamianie algorytmów kwantowych przy użyciu obecnych technologii do praktycznych zastosowań naukowych.
Hybrydowe podejście do obliczeń kwantowych
Stosując podejście hybrydowe, badacze z Los Alamos National Laboratory zaproponowali konkretną realizację algorytmu Grovera. Jako jeden z najbardziej znanych algorytmów kwantowych, algorytm Grovera umożliwia nieustrukturyzowane przeszukiwanie dużych zbiorów danych, które pochłaniają konwencjonalne zasoby obliczeniowe.
Algorytm Grovera wykorzystuje operację czarnej skrzynki zwaną „wyrocznią”. Operacja ta na ogół wymaga wykonania dużej liczby bramek kwantowych. W ramach tych badań zespół zaproponował realizację wyroczni przy użyciu tylko jednego spinu, w naturalny sposób oddziałującego z resztą kubitów obliczeniowych. Nie są nigdy potrzebne żadne bezpośrednie interakcje pomiędzy kubitami obliczeniowymi. Cała operacja wyroczni polega jedynie na zastosowaniu prostych, zależnych od czasu impulsów pola zewnętrznego, które obracają pojedynczy spin. Co ważne, podejście to jest zabezpieczone topologicznie, co oznacza, że jest odporne na niedokładność pól sterujących i innych parametrów fizycznych, nawet bez korekcji błędów.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Nowy paradygmat obliczeń kwantowych: sprzęt zmieniający zasady gry na potrzeby szybszych obliczeń.
Odniesienie: „Topologicznie chroniona wyrocznia Grovera dla problemu podziału” Nikolai A. Sinitsyn i Bin Yan, 14 sierpnia 2023 r., Przegląd fizyczny A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.108.022412
Prace były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii (DOE), Biuro Zaawansowanych Badań Naukowych Obliczeń za pośrednictwem Internetu Kwantowego w celu przyspieszenia programu odkryć naukowych oraz DOE w ramach programu badań i rozwoju kierowanego przez laboratorium w Los Alamos National Laboratory.
