Kvantoperationssekvens (konceptuellt diagram). De sex horisontella blå linjerna representerar sex qubits, med ingången till vänster och utgången till höger. Operationer utförs från vänster till höger. Varje röd fyrkant representerar en 1-qubit-operation, och varje grön vertikal linje som förbinder två blå linjer representerar en 2-qubit-operation. Den optimala kvantoperationssekvensen realiseras med minsta möjliga operationer. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology (NICT); Keio universitet; Tokyo University of Science; School of Science, University of Tokyo
Japans National Institute of Information and Communications Technology, Keio University, Tokyo University of Science och University of Tokyo lyckades för första gången utveckla en metod för att systematiskt hitta den optimala kvantoperationssekvensen för en kvantdator.
För att en kvantdator ska kunna utföra en uppgift måste man skriva en sekvens av kvantoperationer. Hittills har datoroperatörer skrivit sina egna kvantoperationssekvenser baserat på befintliga metoder (recept). Det som har utvecklats denna gång är en systematisk metod som tillämpar optimal kontrollteori (GRAPE-algoritm) för att identifiera den teoretiskt optimala sekvensen bland alla tänkbara kvantoperationssekvenser.
Denna metod förväntas bli ett användbart verktyg för medelstora kvantdatorer och förväntas bidra till att förbättra kvantdatorernas prestanda och minska miljöpåverkan inom en snar framtid.
Denna studie publicerades i Physical Review A .
Kvantdatorer, som för närvarande är under utveckling, förväntas få stor påverkan på samhället. Deras fördelar inkluderar att minska miljöbelastningen genom att minska energiförbrukningen, hitta nya kemiska ämnen för medicinsk användning och påskynda sökandet efter material för en renare miljö.
Ett av de stora problemen för kvantdatorer är att kvanttillståndet är mycket känsligt för brus, så det är svårt att upprätthålla det stabilt under lång tid (att bibehålla ett koherent kvanttillstånd). För att uppnå bästa prestanda är det nödvändigt att slutföra operationerna inom den tid som det koherenta kvanttillståndet upprätthålls. Det fanns ett behov av en metod för att systematiskt identifiera de optimala sekvenserna.
Den maximala troheten F som kan uppnås när man förbereder fyra-qubit-tillståndN är antalet 2-qubit-grindar som används för tillståndsförberedelse, F är troheten (om mindre än 1 är måltillståndsförberedelsen ofullständig) och n är antalet av qubits. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology (NICT); Keio universitet; Tokyo University of Science; School of Science, University of Tokyo
Prestationer
Forskargruppen har utvecklat en systematisk metod för att identifiera den optimala kvantoperationssekvensen.
När en dator lagrar och bearbetar information omvandlas all information till en sträng av bitar med värden 0 eller 1. En kvantoperationssekvens är ett datorprogram skrivet på ett mänskligt läsbart språk som konverteras så att det kan bearbetas av en kvantdator. Kvantoperationssekvensen består av 1-qubit-operationer och 2-qubit-operationer. Den bästa sekvensen är den med minst operationer och visar bäst prestanda.
Den nya metoden analyserar alla möjliga sekvenser av elementära kvantoperationer med hjälp av en beräkningsalgoritm som kallas GRAPE, en numerisk optimal styrteorialgoritm. Specifikt skapar den en tabell över kvantoperationssekvenser och prestandaindex (fidelity F) för varje sekvens, från tusentals till miljoner, beroende på antalet qubits och antalet operationer som undersöks. Den optimala kvantoperationssekvensen identifieras systematiskt baserat på ackumulerad data.
Det är också möjligt för den nya metoden att analysera den kompletta listan över alla kvantoperationssekvenser och utvärdera konventionella recept. Som sådan kan den tillhandahålla ett värdefullt verktyg för att upprätta riktmärken för tidigare och framtida forskning om prestandan hos kvantalgoritmer med få kvantbitar.
Förbättring av kvantdatorprestanda (konceptuellt diagram). Kvantdatorns koherens avtar med tiden. Om koherensen blir för låg blir informationen i kvantdatorn meningslös. Genom att optimera driften av kvantdatorer kan mer information bearbetas innan kvantkoherensen faller under nyttogränsen. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology (NICT); Keio universitet; Tokyo University of Science; School of Science, University of Tokyo
Framtidsutsikter
Den systematiska metoden för att hitta den optimala kvantoperationssekvensen för kvantdatorer förväntas bli ett användbart verktyg för medelstora kvantdatorer. Inom en snar framtid förväntas det förbättra prestanda hos kvantdatorer och bidra till att minska belastningen på miljön.
Teamet fann också att det finns många optimala sekvenser av kvantoperationer som är utmärkta. Detta innebär att ett probabilistiskt tillvägagångssätt skulle kunna utöka tillämpbarheten av denna nya metod till större uppgifter. Tillvägagångssätt baserade på att analysera stora datamängder föreslår möjligheten att integrera maskininlärning med denna nya metod för att ytterligare förbättra prediktiv kraft. I framtiden kommer forskargruppen att tillämpa de resultat som erhållits denna gång för att optimera uppgifter som erhållits från faktiska kvantalgoritmer. + Utforska vidare
