En ny algoritm som snabbspolar simuleringar kan ge större användningsmöjligheter för nuvarande och kortsiktiga kvantdatorer, öppnar vägen för applikationer att köra förbi strikta tidsgränser som hindrar många kvantberäkningar.

"Kvantdatorer har en begränsad tid att utföra beräkningar innan deras användbara kvantnatur, som vi kallar koherens, bryts ner, " sa Andrew Sornborger från Computer, Computational, och Statistical Sciences-avdelningen vid Los Alamos National Laboratory, och senior författare på ett papper som tillkännager forskningen. "Med en ny algoritm har vi utvecklat och testat, vi kommer att kunna snabbspola fram kvantsimuleringar för att lösa problem som tidigare var utom räckhåll."

Datorer byggda av kvantkomponenter, känd som qubits, kan potentiellt lösa extremt svåra problem som överstiger kapaciteten hos även de mest kraftfulla moderna superdatorerna. Tillämpningar inkluderar snabbare analys av stora datamängder, läkemedelsutveckling, och reda ut superledningsförmågans mysterier, för att nämna några av de möjligheter som kan leda till stora tekniska och vetenskapliga genombrott inom en snar framtid.

Nyligen genomförda experiment har visat potentialen för kvantdatorer att lösa problem på några sekunder som skulle ta de bästa konventionella datormillennierna att slutföra. Utmaningen kvarstår, dock, för att säkerställa att en kvantdator kan köra meningsfulla simuleringar innan kvantkoherensen går sönder.

"Vi använder maskininlärning för att skapa en kvantkrets som kan approximera ett stort antal kvantsimuleringsoperationer på en gång, ", sa Sornborger. "Resultatet är en kvantsimulator som ersätter en sekvens av beräkningar med en enkel, snabb operation som kan slutföras innan kvantkoherensen går sönder."

Algoritmen Variational Fast Forwarding (VFF) som Los Alamos-forskarna utvecklade är en hybrid som kombinerar aspekter av klassisk och kvantberäkning. Även om väletablerade teorem utesluter potentialen för allmän snabbspolning med absolut trohet för godtyckliga kvantsimuleringar, forskarna kommer runt problemet genom att tolerera små räknefel för mellantider för att ge användbara, om något ofullkomlig, förutsägelser.

I princip, tillvägagångssättet gör det möjligt för forskare att kvantmekaniskt simulera ett system så länge de vill. Rent praktiskt, de fel som byggs upp när simuleringstiderna ökar begränsar potentiella beräkningar. Fortfarande, Algoritmen tillåter simuleringar långt bortom de tidsskalor som kvantdatorer kan uppnå utan VFF-algoritmen.

En egenhet med processen är att det tar dubbelt så många qubits för att snabbspola en beräkning framåt än vad kvantdatorn snabbspolar framåt. I den nyligen publicerade tidningen, till exempel, forskargruppen bekräftade sitt tillvägagångssätt genom att implementera en VFF-algoritm på en dator med två kvantbitar för att snabba fram beräkningarna som skulle utföras i en kvantsimulering med en kvantitet.

I framtida arbete, Los Alamos-forskarna planerar att utforska gränserna för VFF-algoritmen genom att öka antalet qubits de spola framåt, och kontrollera i vilken utsträckning de kan snabbspola system. Forskningen publicerades den 18 september, 2020 i tidningen npj Kvantinformation .