Forskare har lyckats utveckla en teknik för att snabbt söka efter den optimala kvantgrindsekvensen för en kvantdator med en probabilistisk metod.
För att få en kvantdator att utföra en uppgift måste den använda en kompilator för att konvertera instruktioner skrivna på ett programmeringsspråk till en sekvens av grindoperationer på kvantbitar, eller korta qubits. De tillämpade tidigare optimal kontrollteori (GRAPE-algoritm) på en uttömmande sökning för att utveckla en metod för att identifiera den teoretiskt optimala grindsekvensen, men när antalet qubits ökar, ökar antalet möjliga kombinationer.
När antalet ökar explosivt blir en uttömmande sökning omöjlig. Till exempel, om vi skulle utföra en uttömmande sökning för att hitta den optimala grindsekvensen för uppgiften att generera ett godtyckligt kvanttillstånd på 6 qubits, skulle det ta längre tid än universums ålder med den snabbaste klassiska datorn som finns tillgänglig för närvarande.
Därför försökte forskarna utveckla en metod för att söka efter den optimala quantum gate-sekvensen med ett probabilistiskt tillvägagångssätt och lyckades. Med hjälp av superdatorn Fugaku bekräftades och demonstrerades det att med en ny probabilistisk slumpmässig sökmetod är det möjligt att söka efter den optimala kvantgrindsekvensen för ovanstående problem på några timmar.
Denna nya metod förväntas påskynda kvantdatorkompilatorer, bli ett användbart verktyg för praktiska kvantdatorer och leda till förbättrad prestanda hos kvantdatorenheter. Det kan också användas för att optimera kvantinformationsbehandling vid kvantrelänoder, så det förväntas bidra till förverkligandet av kvantinternet och minska miljöpåverkan.
Detta resultat publicerades i tidskriften Physical Review A den 6 maj 2024.
Kvantdatorer, som för närvarande är under utveckling, förväntas få stor påverkan på samhället. Deras fördelar är bland annat att minska miljöbelastningen genom att minska energiförbrukningen, hitta nya kemiska ämnen för medicinsk användning, påskynda sökandet efter material för en renare miljö etc. Ett av de stora problemen för kvantdatorer är att kvanttillståndet är mycket känsligt för buller , så det är svårt att upprätthålla det stabilt under lång tid (bibehålla ett koherent kvanttillstånd).
För bästa prestanda måste operationer fortgå inom en tid som gör att kvanttillståndet förblir koherent. Men bortsett från det speciella fallet där antalet qubits är mycket litet, har ingen bra metod varit känd för att hitta den optimala quantum gate-sekvensen.
En lösning som undviker svårigheten med den explosiva ökningen av antalet möjliga grindsekvenser även i storskaliga kvantberäkningar och möjliggör effektiva sökningar inom den tid och de beräkningsresurser som kan utföras på klassiska datorer har väntats.
Forskargruppen introducerade en probabilistisk metod för att utveckla en systematisk metod som effektivt kan söka efter den optimala quantum gate-sekvensen inom exekveringstiden och beräkningsresurserna.
När en dator lagrar och bearbetar information omvandlas all information till en sträng av bitar med värden 0 eller 1. En quantum gate-sekvens är ett datorprogram skrivet på ett mänskligt läsbart språk efter att det har konverterats så att det kan bearbetas av en kvantdator. Kvantgrindsekvensen består av 1-qubit-grindar och 2-qubit-grindar. Den bästa sekvensen är den med minst grindar och visar bäst prestanda.
Deras studie visar den uppskattade beräkningstiden när en sökning utförs för att optimera troheten F på den snabbaste klassiska datorn för varje grindarrangemang med hjälp av den optimala styrteorialgoritmen GRAPE för att förbereda n qubit-tillstånd. Den heldragna blå linjen är universums så kallade ålder (13,7 miljarder år). När antalet qubits ökar, ökar antalet möjliga kombinationer explosivt, så vid n=6 överstiger den totala beräkningstiden universums ålder.
Analys av alla möjliga sekvenser för små qubit-tal avslöjar att det finns många optimala quantum gate-sekvenser. Detta antyder möjligheten att expandera till stora kvantuppgifter och hitta den optimala kvantgrindsekvensen med en probabilistisk sökmetod snarare än en uttömmande sökning.
De visar också uppträdandehastigheten (p) för sekvenser med trohet F=1 för framställning av ett tillstånd bestående av n=8 qubits, vilket undersöktes med superdatorn Fugaku. Hastigheten p uttrycks som en funktion av antalet 2-qubit CNOT-grindar (N) i sekvensen. Det är tydligt att den probabilistiska metoden är mycket effektiv eftersom F=1 förekomstfrekvensen ökar snabbt när den nedre gränsen för N (N=124) överskrids.
Till exempel är utseendet på F=1 vid N=129, vilket är lite över N=124, över 50 %, så om du söker efter ett grindarrangemang två gånger hittar du en kvantsekvens som har F=1 minst en gång i genomsnitt. På detta sätt har det visat sig att genom att använda en probabilistisk metod är det möjligt att söka efter optimala kvantgrindsekvenser flera storleksordningar snabbare än när man söker med en uttömmande sökmetod.
Den utvecklade systematiska och probabilistiska metoden för att tillhandahålla optimala kvantgrindsekvenser för kvantdatorer förväntas bli ett användbart verktyg för praktiska kvantdatorer och påskynda kvantdatorkompilatorer. Det förväntas förbättra prestandan hos kvantdatorenheter och bidra till utvecklingen av kvantnoder på kvantinternet och minska miljöbelastningen.
I framtiden kommer forskargruppen att integrera resultaten som erhållits i denna studie med metoder för maskininlärning och tillämpa dem för att optimera prestanda hos kvantdatorer, i syfte att ytterligare snabba upp kvantkompilatorer och skapa en databas med optimala kvantgrindsekvenser.
I forskargruppen ingår National Institute of Information and Communications Technology, RIKEN, Tokyo University of Science och University of Tokyo.
Mer information: Sahel Ashhab et al, Kvantkretssyntes via en slumpmässig kombinatorisk sökning, Physical Review A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.052605
Journalinformation: Fysisk granskning A
Tillhandahålls av National Institute of Information and Communications Technology (NICT)
