Forscher entwickeln Methode zur Messung von Quantencomputern

Forscher an der University of Waterloo haben eine Methode entwickelt, um die Leistung von Quantencomputern zu messen, und dies könnte dazu beitragen, universelle Standards für diese Maschinen zu etablieren. 

Die neue Methode wird als Zyklus-Benchmarking bezeichnet, und Forscher verwenden sie, um das Potenzial für Skalierbarkeit zu bewerten. Die Methode wird auch verwendet, um verschiedene Quanten-Plattformen miteinander zu vergleichen. 

Joel Wallman ist Assistant Professor an der Fakultät für Mathematik und am Institut für Quantencomputing der University of Waterloo.

“Diese Entdeckung könnte einen wichtigen Schritt zur Etablierung von Standards für die Leistung und die Stärkung der Bemühungen zur Entwicklung eines groß angelegten, praktischen Quantencomputers darstellen”, sagte Wallman. “Eine konsistente Methode zur Charakterisierung und Korrektur von Fehlern in Quantensystemen bietet eine Standardisierung für die Bewertung eines Quantenprozessors, sodass Fortschritte in verschiedenen Architekturen fair verglichen werden können.”

Zyklus-Benchmarking hilft Benutzern von Quantencomputern, konkurrierende Hardware-Plattformen zu vergleichen und die Fähigkeiten jeder Plattform zu erhöhen, um Lösungen für ihre Aufgaben zu finden.

Zurzeit wird der Wettbewerb im Bereich der Quantencomputing immer offensichtlicher. Die Anzahl der Cloud-Quantencomputing-Plattformen und -Angebote steigt, und große Unternehmen wie Microsoft , IBM und Google (GOOGL ) entwickeln ständig neue Technologien. 

Die Zyklus-Benchmarking-Methode funktioniert, indem sie die Gesamtwahrscheinlichkeit von Fehlern unter verschiedenen Quantencomputing-Anwendungen bestimmt. Dies geschieht, wenn die Anwendung durch randomisierte Kompilierung implementiert wird. Zyklus-Benchmarking bietet die erste plattformübergreifende Möglichkeit, die Fähigkeiten von Quantenprozessoren zu messen und zu vergleichen, und es wird je nach Anwendung angepasst, an der die Benutzer arbeiten. 

Joseph Emerson ist ein Fakultätsmitglied am IQC.

“Dank des jüngsten Erfolgs von Google bei der Erreichung der Quantenüberlegenheit befinden wir uns nun am Beginn dessen, was ich die `Quanten-Entdeckungs-Ära’ nenne”, sagte Emerson. “Dies bedeutet, dass fehlerhafte Quantencomputer Lösungen für interessante computergestützte Probleme liefern werden, aber die Qualität ihrer Lösungen kann nicht mehr durch Hochleistungscomputer verifiziert werden.

“Wir sind begeistert, weil Zyklus-Benchmarking eine dringend benötigte Lösung zur Verbesserung und Validierung von Quantencomputing-Lösungen in dieser neuen Ära der Quanten-Entdeckung bietet.”

Emerson und Wallman gründeten Quantum Benchmark Inc., ein Spin-off des IQC. Es lizenzierte die Technologie an weltweit führende Unternehmen im Bereich der Quantencomputing, einschließlich von Googles Quantum-AI-Bemühungen.

Die Quantenmechanik hat Quantencomputer zu extrem leistungsstarken Maschinen für die Datenverarbeitung gemacht. Quantencomputer sind in der Lage, komplexe Probleme effizienter zu lösen als herkömmliche oder digitale Computer. 

Qubits sind die grundlegenden Verarbeitungseinheiten in einem Quantencomputer, aber sie sind extrem empfindlich. Jede Art von Unvollkommenheit oder Störquelle im System kann zu bestimmten Fehlern führen, die zu falschen Lösungen bei einer Quantenberechnung führen.

Der erste Schritt, um bei der Quantencomputing weiterzukommen, besteht darin, die Kontrolle über einen kleinen Quantencomputer mit einem oder zwei Qubits zu erlangen. Ein größerer Quantencomputer könnte komplexere Aufgaben wie maschinelles Lernen oder komplexe SystemSimulationen ausführen, was zu Fortschritten wie der Entdeckung neuer pharmazeutischer Medikamente führen könnte. Das Problem besteht jedoch darin, dass die Konstruktion eines größeren Quantencomputers schwieriger ist und die Fehlerwahrscheinlichkeit mit der Anzahl der Qubits und der Skalierung des Quantensystems steigt. 

Ein Profil der Störungen und Fehler wird erstellt, wenn ein Quantensystem charakterisiert wird. Dies zeigt an, ob der Prozessor die Berechnungen ausführt, die er angefordert wird. Alle signifikanten Fehler müssen charakterisiert werden, um die Leistung eines Quantencomputers zu verstehen oder die Skalierung zu erhöhen. 

Wallman, Emerson und eine Gruppe von Forschern an der Universität Innsbruck entwickelten eine Methode, um alle Fehlerquoten zu bewerten, die einen Quantencomputer beeinflussen. Die neue Technik wurde für den Ionenfallen-Quantencomputer an der Universität Innsbruck implementiert und es wurde festgestellt, dass die Fehlerquoten nicht steigen, wenn die Größe des Quantencomputers skaliert wird. 

“Zyklus-Benchmarking ist die erste Methode, um zuverlässig zu überprüfen, ob man auf dem richtigen Weg ist, um das Gesamtdesign eines Quantencomputers zu skalieren”, sagte Wallman. “Diese Ergebnisse sind bedeutend, weil sie eine umfassende Möglichkeit bieten, Fehler über alle Quantencomputing-Plattformen hinweg zu charakterisieren.”