In recente jaren, Er zijn kwantumapparaten beschikbaar gekomen waarmee onderzoekers voor het eerst echte kwantumhardware kunnen gebruiken om wetenschappelijke problemen op te lossen. Echter, op korte termijn, het aantal en de kwaliteit van qubits (de basiseenheid van kwantuminformatie) voor kwantumcomputers zullen naar verwachting beperkt blijven, waardoor het moeilijk is om deze machines voor praktische toepassingen te gebruiken.

Een hybride kwantum- en klassieke benadering kan het antwoord zijn om dit probleem met bestaande kwantumhardware aan te pakken. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Los Alamos National Laboratory, samen met onderzoekers van Clemson University en Fujitsu Laboratories of America, hebben hybride algoritmen ontwikkeld om op kwantummachines te draaien en hebben ze gedemonstreerd voor praktische toepassingen met behulp van IBM-kwantumcomputers (zie hieronder voor een beschrijving van Argonne's rol in de IBM Q Hub in Oak Ridge National Laboratory [ORNL]) en een D-Wave-kwantumcomputer.

"Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om op korte termijn kwantumcomputers te gebruiken om toepassingen op te lossen die de DOE-missie ondersteunen. het kan worden toegepast om gemeenschapsstructuren te vinden in metabole netwerken of een microbioom, " zegt Joeri Aleksejev, belangrijkste projectspecialist, Afdeling Computational Science

Het werk van het team wordt gepresenteerd in een artikel getiteld "A Hybrid Approach for Solving Optimization Problems on Small Quantum Computers" dat verschijnt in het juni 2019-nummer van het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Computer Tijdschrift.

Zorgen over qubit-connectiviteit, hoge geluidsniveaus, de inspanning die nodig is om fouten te corrigeren, en de schaalbaarheid van kwantumhardware hebben het vermogen van onderzoekers om de oplossingen te leveren die toekomstige kwantumcomputers belooft, beperkt.

De hybride algoritmen die het team heeft ontwikkeld, maken gebruik van de beste eigenschappen en mogelijkheden van zowel klassieke als kwantumcomputers om deze beperkingen aan te pakken. Bijvoorbeeld, klassieke computers hebben grote geheugens die enorme datasets kunnen opslaan - een uitdaging voor kwantumapparaten die slechts een klein aantal qubits hebben. Anderzijds, kwantumalgoritmen presteren beter voor bepaalde problemen dan klassieke algoritmen.

Om onderscheid te maken tussen de soorten berekeningen die op twee totaal verschillende soorten hardware worden uitgevoerd, het team verwees naar de klassieke en kwantumstadia van hybride algoritmen als centrale verwerkingseenheden (CPU's) voor klassieke computers en kwantumverwerkingseenheden (QPU's) voor kwantumcomputers.

Het team greep grafiekpartitionering en clustering aan als voorbeelden van praktische en belangrijke optimalisatieproblemen die al met kwantumcomputers kunnen worden opgelost:een klein grafiekprobleem kan direct op een QPU worden opgelost, terwijl grotere grafische problemen hybride kwantumklassieke benaderingen vereisen.

Toen een probleem te groot werd om rechtstreeks op kwantumcomputers te draaien, de onderzoekers gebruikten ontledingsmethoden om het probleem op te splitsen in kleinere stukjes die de QPU kon beheren - een idee dat ze leenden van high-performance computing en klassieke numerieke methoden.

Alle stukken werden vervolgens samengevoegd tot een definitieve oplossing op de CPU, die niet alleen betere parameters vond, maar identificeerde ook de beste subprobleemgrootte om op een kwantumcomputer op te lossen.

Dergelijke hybride benaderingen zijn geen wondermiddel; ze laten geen kwantumversnelling toe omdat het gebruik van ontledingsschema's de snelheid beperkt naarmate het probleem groter wordt. In de komende 10 jaar, Hoewel, verwachte verbeteringen in qubits (kwaliteit, Graaf, en connectiviteit), foutcorrectie, en kwantumalgoritmen zullen de runtime verkorten en geavanceerdere berekeningen mogelijk maken.

"Ondertussen, " volgens Yuri Alexeev, hoofdprojectspecialist in de divisie Computational Science, "Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om op korte termijn kwantumcomputers te gebruiken om toepassingen op te lossen die de DOE-missie ondersteunen. het kan worden toegepast om gemeenschapsstructuren te vinden in metabole netwerken of een microbioom."