Tomografia kwantowa w komputerach kwantowych

Rubid kubity

Informatycy zaproponowali skalowalny algorytm do tomografii stanów kwantowych, aby znacząco przyspieszyć zadania sprawdzania poprawności dokładności komputerów kwantowych.

Wyróżniający obrazek tego posta ilustruje kubity atomu rubidu wyizolowane przez naukowców z National Institute of Standards and Technology i zaproponowane do zastosowania w komputerach kwantowych. Zespół kierowany przez informatyka z Uniwersytetu Rice, Anastasiosa Kyrillidisa, zaproponował skalowalny algorytm, który znacznie przyspieszy zadanie sprawdzania poprawności dokładności komputerów kwantowych.

Anastasios Kyrillidis, profesor informatyki, który w tym roku dołączył do Rice, przewodzi rozwojowi niekonwencjonalnej metody jako narzędzia diagnostycznego dla potężnych komputerów następnej generacji, których działanie oparte jest na kwantowych bitach – kubitach – które są swoistego rodzaju przełącznikami działającymi zgodnie z regułami, które rozróżniają jedynki i zera w klasycznych komputerach.

Komputery kwantowe wykorzystują zasady mechaniki kwantowej, aby szybko rozwiązywać trudne i złożone problemy, które wymagałyby poświęcenia im znacznie więcej czasu na konwencjonalnych superkomputerach. Ich działanie i skuteczne wdrożenie oznaczałoby przełom w projektowaniu leków, zaawansowanych materiałów, kryptografii i sztucznej inteligencji.

Artykuł Kyrillidisa i jego zespołu znajduje się w czasopiśmie Nature Quantum Information.

Jak każdy sprzęt, kwantowe systemy komputerowe są podatne na błędy, które należy zniwelować. Wymaga to ciągłych testów w celu sprawdzenia ich potencjalnych możliwości. Ogromna złożoność komputerów kwantowych, których szybkość rośnie wykładniczo z każdym kubitem, wymaga ogromnej ilości materiału do weryfikacji

– mówi Kyrillidis.

Metoda Kyrillidisa koncentruje się na tomografii stanów kwantowych, procesie inspirowanym przez tomografię medyczną, w której obrazy mapujące ciało są przechwytywane w postaci plastrów, które następnie są ponownie składane w trójwymiarową mapę. Tomografia medyczna od tomografii kwantowej różni się jednal, ponieważ tworzy obraz stanu kubitów komputera kwantowego.

Kiedy komputer kwantowy wykonuje algorytm, zaczyna od określonego stanu, traktując go jako dane wejściowe do algorytmu

– mówi Kyrillidis.

Gdy komputer postępuje według kroków algorytmu, przechodzi przez wiele stanów, stan na samym końcu jest odpowiedzią na pytanie zadane na początku algorytmu.

Po ponownym złożeniu całego dostępnego stanu z przeprowadzonych pomiarów, jak mówi Kyrillidis, można później zidentyfikować błędy sprzętu lub oprogramowania, które mogły spowodować, iż komputer zwrócił nieoczekiwane rezultaty.

Wymaga to wielu pomiarów, a koszt obliczeniowy rekonstrukcji może być duży, nawet w przypadku komputerów klasycznych

– powiedział.

Oparta na tomografii analiza komputerów kwantowych z nawet pięcioma lub sześcioma kubitami byłaby nieopłacalna bez upraszczania zadania – a najnowocześniejsze maszyny mają 50 kubitów lub więcej.

Kubity są podstawowymi jednostkami informacji w komputerze kwantowym. Podobnie jak w klasycznym komputerze, każdy kubit może reprezentować 1 lub 0. W przeciwieństwie do bitów, kubit może jednocześnie reprezentować 1 i 0, stan nazywany superpozycją, która wykładniczo podnosi liczbę możliwych do przeprowadzenia jednocześnie obliczeń. Aby wszystko było bardziej interesujące i zaskakujące zarazem, stan kubitu określany przez polaryzację magnetyczną lub spin elektronu istnieje tylko wtedy, gdy jest mierzony.

Kyrillidis powiedział, że nawet niewielki wzrost liczby kubitów w komputerze dramatycznie zwiększa jego moc obliczeniową.

W systemie z pięcioma kubitami stan może być reprezentowany przez 2 do 5 pomnożone przez 2 do 5, a więc jest to macierz 32 na 32

– powiedział.

Nie jest to tak wiele, ale w systemie 20-kubitowym, takim jak ten w IBM, stan można scharakteryzować za pomocą matrycy o wartości miliona na milion. Gdybyśmy wykonywali pełne pomiary za pomocą technik regularnej tomografii, musielibyśmy odpytać system w przybliżeniu milion razy do kwadratu, aby uzyskać wystarczającą ilość informacji, aby odzyskać swój stan.

Kyrillidis i jego zespół rozwiązali problem z walidacją za pomocą algorytmu, który nazywają Projected Factored Decient Decent (ProjFGD). Korzysta on ze skompresowanego wykrywania, metody, która minimalizuje ilość przychodzących danych, a jednocześnie zapewnia dokładne wyniki. Naukowiec twierdzi, że metoda zmniejszy liczbę pomiarów dla układu o pojemności 20-litrowej do zaledwie miliona.

To wciąż duża liczba, ale znacznie mniejsza niż milion do kwadratu

– powiedział.

Kyrillidis zauważył, że IBM, gdzie spędził rok jako naukowiec przed przyjazdem do Rice, umieścił komputer kwantowy w chmurze, gdzie każdy może uzyskać do niego dostęp i uruchamiać programy. Powiedział on, że firma twierdzi, że im więcej ludzi nauczy się teraz programowania komputerów kwantowych, tym bardziej rozwinięte będą ich umiejętności, gdy platforma osiągnie kompletność.

Narzędzie do tomografii stanów kwantowych ma charakter ogólny i ma więcej wspólnego z naturą kubitu niż ze specyficzną architekturą

– powiedział Kyrillidis.

W miarę, jak komputery kwantowe stają się potężniejsze, z pewnością można je przeskalować w celu certyfikacji rożnych systemów.

Współautorami są Amir Kalev z University of Maryland, Dohyung Park z Facebook’a, Srinadh Bhojanapalli z Toyota Technological Institute w Chicago oraz Constantine Caramanis i Sujay Sanghavi z University of Texas w Austin.

Firma IBM Goldstine Fellowship i Departament Obrony USA wsparli przeprowadzone badania.

Źródło: Rice University. „Quantum bugs, meet your new swatter: Developing efficient method to characterize quantum computers.” ScienceDaily. ScienceDaily, 20 August 2018. <www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180820094440.htm>.

Zostaw odpowiedź

Twój email nie zostanie opublikowany. Pola wymagane oznaczone *