Nieuwe methode verbetert prestaties van quantumcomputers en vermindert milieueffecten

Een team van onderzoekers van het National Institute of Information and Communications Technology, Keio University, Tokyo University of Science en de Universiteit van Tokio, heeft met succes een methode ontwikkeld om systematisch de optimale quantumoperatievolgorde voor een quantumcomputer te vinden. Deze nieuwe methode is de eerste die succes behaalt.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review A.

Ontwikkeling van de nieuwe methode

Quantumcomputers voeren taken uit door te vertrouwen op experts die een volgorde van quantumoperaties schrijven, wat traditioneel heeft betekend dat computeroperators hun eigen volgorde schreven op basis van bestaande methoden. Het team ontwikkelde een systematische methode die optimaal controletheorie (GRAPE-algoritme) toepaste om de theoretisch optimale volgorde te identificeren uit alle denkbare quantumoperatievolgordes.

De nieuwe methode wordt verwacht nuttig te zijn voor medium-schaal quantumcomputers. Tegelijkertijd zegt het team dat het moet helpen om de prestaties van quantumcomputers te verbeteren en ook de milieueffecten in de nabije toekomst te verminderen.

Quantumcomputers hebben het potentieel om een breed scala aan complexe problemen op te lossen, zoals het verminderen van de milieubelasting door de energieverbruik te verminderen en het ontdekken van nieuwe chemische stoffen voor het medische veld.

Uitdagingen van quantumcomputing

Echter, een van de belangrijkste uitdagingen van quantumcomputing is dat de quantumtoestand zeer gevoelig is voor ruis, wat betekent dat het moeilijk is om het stabiel te houden voor een langere periode. De operaties moeten worden voltooid binnen de tijd dat de coherente quantumtoestand wordt gehandhaafd, en dit vereist een methode voor het systematisch identificeren van de optimale volgordes.

Een quantumoperatievolgorde is een computerprogramma dat is geschreven in een voor de mens leesbare taal en wordt omgezet om te worden verwerkt door een quantumcomputer. De quantumoperatievolgorde omvat 1-qubitoperaties en 2-qubitoperaties, maar de beste volgorde heeft de minste operaties terwijl het de beste prestaties laat zien.

De nieuw ontwikkelde methode analyseert alle mogelijke volgordes van elementaire quantumoperaties met behulp van het GRAPE-algoritme, dat een numeriek optimaal controletheorie-algoritme is. Het team creëert een tabel van quantumoperatievolgordes en de prestatie-index voor elk, die kan variëren van duizenden tot miljoenen. De optimale quantumoperatievolgorde kan dan systematisch worden geïdentificeerd op basis van de geaccumuleerde gegevens.

De methode van het team kan ook de complete lijst van alle quantumoperatievolgordes analyseren en conventionele methoden evalueren, wat het in staat stelt om benchmarks te helpen vaststellen voor toekomstig onderzoek.

Het team ontdekte ook dat er veel uitstekende optimale volgordes van quantumoperaties zijn, wat betekent dat een probabilistische benadering de toepasbaarheid van de nieuwe methode kan uitbreiden tot grotere taken. Door machine learning te integreren met de methode, kan de voorspellingskracht nog verder worden verhoogd.