Naukowcy z Caltech opracowali nowatorską metodę pomiaru współczynnika błędów komputerów kwantowych przy użyciu komputerów klasycznych, bez konieczności przeprowadzania pełnych symulacji. To przełomowe osiągnięcie pomaga przezwyciężyć wyzwania związane z błędami nieodłącznymi w systemach kwantowych i może przyspieszyć rozwój dokładniejszych technologii obliczeń kwantowych. (Koncepcja artysty.) Źródło: SciTechDaily.com
Nowa metoda wykorzystuje klasyczne komputery do sprawdzania dokładności złożonych układów kwantowych.
Komputery kwantowe mogą przewyższyć komputery klasyczne w rozwiązywaniu złożonych problemów z różnych dziedzin, takich jak informatyka, medycyna, biznes, chemia i fizyka. Jednak te zaawansowane maszyny nie osiągnęły jeszcze swojego pełnego potencjału, ponieważ obecnie borykają się z nieodłącznymi błędami. Naukowcy pilnie pracują nad zminimalizowaniem tych wad i zwiększeniem wydajności komputerów kwantowych.
Jednym ze sposobów badania tych błędów jest wykorzystanie klasycznych komputerów do symulacji układów kwantowych i ich weryfikacji dokładność. Jedynym haczykiem jest to, że w miarę jak maszyny kwantowe stają się coraz bardziej złożone, przeprowadzanie ich symulacji na tradycyjnych komputerach zajęłoby lata lub dłużej.
Teraz badacze z Caltech opracowali nową metodę, dzięki której klasyczne komputery mogą mierzyć współczynniki błędów maszyn kwantowych bez konieczności ich pełnej symulacji. Zespół opisuje metodę w artykule opublikowanym w czasopiśmie Natura.
„W idealnym świecie chcemy ograniczyć te błędy. To marzenie naszej dziedziny” – mówi Adam Shaw, główny autor badania i absolwent, który pracuje w laboratorium Manuela Endresa, profesora fizyki w Caltech. „Ale w międzyczasie musimy lepiej zrozumieć błędy, na jakie napotyka nasz system, abyśmy mogli pracować nad ich ograniczeniem. To zmotywowało nas do opracowania nowego podejścia do szacowania sukcesu naszego systemu.”
Symulatory kwantowe i splątanie
W nowym badaniu zespół przeprowadził eksperymenty przy użyciu prostego komputera kwantowego zwanego symulatorem kwantowym. Symulatory kwantowe mają bardziej ograniczony zakres niż obecne podstawowe komputery kwantowe i są przystosowane do konkretnych zadań. Symulator grupy składa się z indywidualnie kontrolowanych atomów Rydberga – atomów w stanach silnie wzbudzonych – którymi manipulują za pomocą laserów.
Jedną z kluczowych cech symulatora, a także wszystkich komputerów kwantowych, jest splątanie — zjawisko, w którym pewne atomy łączą się ze sobą bez faktycznego dotykania. Kiedy komputery kwantowe pracują nad jakimś problemem, w układzie w naturalny sposób narasta splątanie, niewidocznie łącząc atomy. W zeszłym roku Endres, Shaw i współpracownicy ujawnili, że w miarę wzrostu splątania połączenia te rozprzestrzeniają się w sposób chaotyczny lub losowy, co oznacza, że małe zakłócenia prowadzą do dużych zmian w taki sam sposób, w jaki trzepoczące skrzydła motyla mogą teoretycznie wpływać na globalne warunki pogodowe.
Klasyczne komputery nie są w stanie w pełni symulować pracy układów kwantowych, zwłaszcza tych mających więcej niż 30 kubitów. Hipotetyczny przykład: gdyby komputer kwantowy miał stworzyć Mona Lisę, mógłby stworzyć wiele szczegółów, ale jest podatny na błędy, stąd niewyraźny wygląd obrazu po prawej stronie w koncepcji tego artysty. Klasyczny komputer nie potrafiłby wytworzyć szczegółów tak dobrze jak komputer kwantowy, ale mógłby z grubsza przybliżyć zadanie komputera kwantowego, stąd pikselacja obrazu po lewej stronie. Aby obejść to ograniczenie i lepiej symulować systemy kwantowe, badacze zastosowali metodę zmiany stopnia „pikselacji” w klasycznej symulacji komputerowej, a następnie ekstrapolowali te wyniki w celu oszacowania „rozmycia” układów kwantowych. Źródło: Caltech
Granice symulacji klasycznych
Uważa się, że dzięki tej rosnącej złożoności komputery kwantowe mogą rozwiązywać określone typy problemów znacznie szybciej niż komputery klasyczne, na przykład te stosowane w kryptografii, w której należy szybko uwzględniać duże liczby.
Kiedy jednak maszyny osiągną określoną liczbę połączonych atomów, czyli kubitów, nie będzie już można ich symulować przy użyciu klasycznych komputerów. „Kiedy przekroczysz 30 kubitów, wszystko staje się szalone” – mówi Shaw. „Im więcej masz kubitów i splątania, tym bardziej złożone są obliczenia”.
Symulator kwantowy zastosowany w nowym badaniu ma 60 kubitów, co według Shawa stawia go w reżimie, którego nie da się dokładnie zasymulować. „To staje się paragrafem 22. Chcemy zbadać system, w którym trudno jest pracować klasycznym komputerom, ale nadal polegamy na tych klasycznych komputerach, aby stwierdzić, czy nasz symulator kwantowy jest poprawny”. Aby sprostać temu wyzwaniu, Shaw i współpracownicy przyjęli nowe podejście, przeprowadzając klasyczne symulacje komputerowe, które pozwalają na różne stopnie splątania. Shaw porównuje to do malowania pędzlami różnej wielkości.
„Powiedzmy, że nasz komputer kwantowy maluje Mona Lisa dla porównania” – mówi. „Komputer kwantowy może malować bardzo sprawnie i teoretycznie doskonale, ale popełnia błędy, które rozmazują farbę w fragmentach obrazu. To tak, jakby komputer kwantowy miał drżące ręce. Aby określić ilościowo te błędy, chcemy, aby nasz klasyczny komputer symulował to, co zrobił komputer kwantowy, ale nasz Mona Lisa byłoby dla niego zbyt skomplikowane. To tak, jakby klasyczne komputery miały tylko gigantyczne pędzle lub wałki i nie były w stanie uchwycić najdrobniejszych szczegółów.
Zamiast tego mamy wiele klasycznych komputerów, które malują to samo coraz cieńszymi pędzlami, a potem mrużymy oczy i oceniamy, jak by to wyglądało, gdyby były idealne. Następnie używamy tego do porównania z komputerem kwantowym i oszacowania jego błędów. Dzięki licznym weryfikacjom krzyżowym byliśmy w stanie wykazać, że to „mrużenie oczu” jest matematycznie uzasadnione i daje dość trafną odpowiedź”.
Naukowcy oszacowali, że ich 60-kubitowy symulator kwantowy działa z poziomem błędu wynoszącym 91 procent (lub współczynnikiem dokładności wynoszącym 9 procent). Może to wydawać się niskie, ale w rzeczywistości jest stosunkowo wysokie jak na stan pola. Dla porównania, Eksperyment Google 2019w którym zespół stwierdził, że ich komputer kwantowy jest lepszy od komputerów klasycznych, miał dokładność na poziomie 0,3% (choć był to system innego typu niż ten w tym badaniu).
Shaw mówi: „Mamy teraz punkt odniesienia do analizy błędów w obliczenia kwantowe systemy. Oznacza to, że wprowadzając ulepszenia sprzętu, możemy zmierzyć, jak dobrze te ulepszenia zadziałały. Ponadto dzięki temu nowemu testowi porównawczemu możemy również zmierzyć stopień splątania w symulacji kwantowej, co jest kolejnym miernikiem jej sukcesu”.
Odniesienie: „Porównanie wysoce splątanych stanów na przestrzeni lat 60-tychatom analogowy symulator kwantowy” Adama L. Shawa, Zhuo Chena, Joonhee Choi, Daniela K. Marka, Pascala Scholla, Ran Finkelsteina, Andreasa Elbena, Soonwon Choi i Manuela Endresa, 20 marca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07173-x
Badania zostały sfinansowane przez National Science Foundation (częściowo za pośrednictwem Instytutu Informacji Kwantowej i Materii Caltech, w skrócie IQIM), Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obrony (DARPA), Biuro Badań Armii, Akcelerator Systemów Kwantowych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, stypendium podoktorskie Troesh, Niemiecka Narodowa Akademia Nauk Leopoldina oraz Instytut Fizyki Teoretycznej im. Waltera Burke’a w Caltech.
