Nowa metoda poprawia wydajność komputerów kwantowych, redukując jednocześnie ich wpływ na środowisko

Zespół badaczy z Narodowego Instytutu Technologii Informacyjnych i Komunikacji, Uniwersytetu Keio, Uniwersytetu Nauk w Tokio oraz Uniwersytetu Tokijskiego, opracował metodę systematycznego znajdowania optymalnej sekwencji operacji kwantowych dla komputera kwantowego. Jest to pierwsza metoda, która osiągnęła sukces.

Badania zostały opublikowane w naukowym czasopiśmie Physical Review A.

Opracowanie nowej metody

Komputery kwantowe wykonują zadania, polegając na ekspertach, którzy piszą sekwencję operacji kwantowych, co tradycyjnie wiązało się z tym, że operatorzy komputerowi pisali własne sekwencje na podstawie istniejących metod. Zespół opracował systematyczną metodę, która zastosowała teorię sterowania optymalnego (algorytm GRAPE), aby zidentyfikować teoretycznie optymalną sekwencję spośród wszystkich możliwych sekwencji operacji kwantowych.

Nowa metoda ma być przydatna dla komputerów kwantowych o średniej skali. Jednocześnie zespół twierdzi, że powinna ona poprawić wydajność komputerów kwantowych, a także zmniejszyć ich wpływ na środowisko w najbliższej przyszłości.

Komputery kwantowe mają potencjał rozwiązania szerokiego zakresu złożonych problemów, takich jak zmniejszenie obciążenia środowiska poprzez zmniejszenie zużycia energii oraz odkrycie nowych substancji chemicznych dla sektora medycznego.

Wyzwania komputerów kwantowych

Jednym z głównych wyzwań komputerów kwantowych jest to, że stan kwantowy jest bardzo wrażliwy na szum, co oznacza, że trudno jest utrzymać go stabilny przez dłuższy czas. Operacje muszą być wykonane w czasie, w którym utrzymywany jest spójny stan kwantowy, co wymaga metody systematycznego identyfikowania optymalnych sekwencji.

Sekwencja operacji kwantowych jest programem komputerowym napisanym w języku zrozumiałym dla ludzi, który jest następnie przekształcany w postać przetwarzaną przez komputer kwantowy. Sekwencja operacji kwantowych obejmuje operacje 1-kubitu i 2-kubitu, ale najlepsza sekwencja ma najmniej operacji, jednocześnie wykazując najlepszą wydajność.

Nowo opracowana metoda analizuje wszystkie możliwe sekwencje elementarnych operacji kwantowych za pomocą algorytmu GRAPE, który jest numerycznym algorytmem teorii sterowania optymalnego. Zespół tworzy tabelę sekwencji operacji kwantowych i wskaźnika wydajności dla każdej, który może wynosić od tysięcy do milionów. Optymalną sekwencję operacji kwantowych można następnie systematycznie zidentyfikować na podstawie zgromadzonych danych.

Metoda zespołu może również analizować pełną listę wszystkich sekwencji operacji kwantowych i oceniać metody konwencjonalne, co umożliwia jej pomoc w ustanowieniu punktów odniesienia dla badań przeszłych i przyszłych.

Zespół odkrył również, że istnieje wiele doskonałych optymalnych sekwencji operacji kwantowych, co oznacza, że podejście probabilistyczne może rozszerzyć stosowalność nowej metody do większych zadań. Integracja uczenia maszynowego z tą metodą może jeszcze bardziej zwiększyć jej możliwości predykcyjne.