Исследователи демонстрируют новый путь к надежным квантовым вычислениям

Исследователи из Чикагского университета опубликовали новую методику повышения надежности квантовых компьютеров за счет доступа к более высоким уровням энергии, чем традиционно считалось. Большинство предыдущих работ по квантовым вычислениям имеют дело с «кубитами», квантовым аналогом двоичных битов, которые кодируют ноль или единицу. Вместо этого новая работа использует «квитриты», квантовые аналоги трехуровневых тритов, способных представлять ноль, один или два.

Группа UChicago работала вместе с исследователями из Университета Дьюка. Обе группы являются частью совместной работы EPiQC («Включение квантовых вычислений в практическом масштабе»), экспедиции NSF в области вычислительной техники. Междисциплинарное исследование EPiQC охватывает от разработки алгоритмов и программного обеспечения до проектирования архитектуры и аппаратного обеспечения с конечной целью более быстрой реализации огромного потенциала квантовых вычислений для научных открытий и компьютерных инноваций.

Доступ к более высоким уровням энергии

Работу можно рассматривать в контексте фундаментального компромисса в пространстве и времени, который широко распространен в компьютерных науках : программы могут быть ускорены за счет использования большего объема памяти, или, наоборот, программы могут снизить требования к памяти, увеличивая время выполнения. Но в контексте квантовых вычислений, где машины с малым сроком эксплуатации сильно ограничены как в памяти, так и во время поддержки, ни один из этих компромиссов не является приемлемым.

Решение, которое обнаружила команда EPiQC, состояло в том, чтобы сломать абстракцию использования двоичных кубитов. «В то время как двоичная логика имеет смысл для включенной-выключенной физики, лежащей в основе обычных компьютеров, квантовое оборудование не является по своей сути двоичным», - объясняет исследователь Пранав Гохале, аспирант Чикагского университета. Фактически, состояния на квантовом компьютере принадлежат бесконечному спектру, поэтому кубит - это просто искусственно созданный выбор использования только двух состояний.

Команда обнаружила, что, позволяя использовать три состояния через квитриты, одна из фундаментальных операций в квантовых вычислениях экспоненциально быстрее, не требуя дополнительной памяти. Команда подтвердила свое открытие с помощью симуляций, выполненных в реальных условиях шума.

«Кутриты обходятся дорого, поскольку наличие дополнительного состояния предполагает больше возможных источников ошибок», - сказал Гохале. «Тем не менее, наше моделирование демонстрирует, что критриты имеют убедительное преимущество с надёжностью в два-десять раз выше, чем алгоритмы только для кубитов для краткосрочных тестов».

Сокращение разрыва между аппаратным и программным обеспечением

Открытие команды хорошо согласуется с междисциплинарной направленностью EPiQC на преодоление разрыва между квантовым оборудованием и программным обеспечением. Ранняя стадия этой работы была представлена ​​на конференции по обработке квантовой информации в январе этого года, где она получила награду за лучший постер . С тех пор, исследования были настроены так, чтобы соответствовать сложным аппаратным моделям, разработанным совместно с экспертами, работающими над сверхпроводящими и квантовыми компьютерами с запертыми ионами.

«Приспосабливая алгоритмы к использованию уникальных возможностей квантового аппаратного обеспечения, мы реализуем повышение эффективности, которое в противном случае скрывается за абстракционными барьерами между аппаратным и программным обеспечением», - отмечает Фред Чонг, профессор компьютерных наук Сеймура Гудмана в UChicago и ведущий PI для EPiQC. , «В этом случае наше аппаратное моделирование привело нас к пересмотру и оспариванию общепринятой мысли, что двоичная операция лучше всего подходит для вычислений».

Полная статья "Асимптотические улучшения квантовых цепей через кутриты" теперь опубликована на arXiv .

Источник: https://phys.org/news/2019-06-path-reliable-quantum.html