Neue Methode verbessert die Leistung von Quantencomputern und reduziert den Umweltimpact

Ein Team von Forschern des National Institute of Information and Communications Technology, der Keio-Universität, der Tokyo University of Science und der Universität Tokio hat erfolgreich eine Methode entwickelt, um systematisch die optimale Quantenoperationenfolge für einen Quantencomputer zu finden. Diese neue Methode ist die erste, die Erfolg hatte.

Die Forschung wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review A veröffentlicht.

Entwicklung der neuen Methode

Quantencomputer führen Aufgaben aus, indem sie auf Experten angewiesen sind, die eine Folge von Quantenoperationen schreiben, was traditionell bedeutet, dass Computeroperatoren ihre eigenen Methoden basierend auf bestehenden Methoden schreiben. Das Team entwickelte eine systematische Methode, die die optimale Kontrolltheorie (GRAPE-Algorithmus) anwendet, um die theoretisch optimale Folge aus allen denkbaren Quantenoperationenfolgen zu identifizieren.

Die neue Methode soll für mittelgroße Quantencomputer nützlich sein. Gleichzeitig sagt das Team, dass sie dazu beitragen sollte, die Leistung von Quantencomputern zu verbessern und gleichzeitig den Umweltimpact in naher Zukunft zu reduzieren.

Quantencomputer haben das Potenzial, eine Vielzahl von komplexen Problemen zu lösen, wie z.B. die Reduzierung der Umweltbelastung durch die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Entdeckung neuer chemischer Substanzen für das medizinische Feld.

Herausforderungen des Quantencomputings

Eine der größten Herausforderungen des Quantencomputings ist jedoch, dass der Quantenzustand sehr empfindlich auf Rauschen reagiert, was bedeutet, dass es schwierig ist, ihn für eine längere Zeit stabil zu halten. Die Operationen müssen innerhalb der Zeit abgeschlossen werden, in der der kohärente Quantenzustand aufrechterhalten wird, und dies erfordert eine Methode, um systematisch die optimalen Folgen zu identifizieren.

Eine Quantenoperationenfolge ist ein Computerprogramm, das in einer menschlich lesbaren Sprache geschrieben wird und in eine Form umgewandelt wird, die von einem Quantencomputer verarbeitet werden kann. Die Quantenoperationenfolge umfasst 1-Qubit-Operationen und 2-Qubit-Operationen, aber die beste Folge hat die wenigsten Operationen und zeigt die beste Leistung.

Die neu entwickelte Methode analysiert alle möglichen Folgen von elementaren Quantenoperationen mithilfe des GRAPE-Algorithmus, der ein numerischer Algorithmus der optimalen Kontrolltheorie ist. Das Team erstellt eine Tabelle von Quantenoperationenfolgen und dem Leistungsindex für jede, der von Tausenden bis Millionen reichen kann. Die optimale Quantenoperationenfolge kann dann systematisch anhand der gesammelten Daten identifiziert werden.

Die Methode des Teams kann auch die vollständige Liste aller Quantenoperationenfolgen analysieren und herkömmliche Methoden bewerten, was es ermöglicht, Benchmarks für vergangene und zukünftige Forschung zu etablieren.

Das Team entdeckte auch, dass es viele hervorragende optimale Folgen von Quantenoperationen gibt, was bedeutet, dass ein probabilistischer Ansatz die Anwendbarkeit der neuen Methode auf größere Aufgaben erweitern könnte. Durch die Integration von Machine Learning mit der Methode kann die Vorhersagekraft noch weiter gesteigert werden.