In een stap naar praktische kwantumcomputers, onderzoekers van het MIT, Google, en elders hebben ze een systeem ontworpen dat kan verifiëren wanneer kwantumchips nauwkeurig complexe berekeningen hebben uitgevoerd die klassieke computers niet kunnen.

Quantumchips voeren berekeningen uit met behulp van kwantumbits, genaamd "qubits, " die de twee toestanden kan vertegenwoordigen die overeenkomen met klassieke binaire bits - een nul of een - of een "kwantumsuperpositie" van beide toestanden tegelijkertijd. De unieke superpositietoestand kan kwantumcomputers in staat stellen problemen op te lossen die praktisch onmogelijk zijn voor klassieke computers, mogelijk aanzetten tot doorbraken in materiaalontwerp, ontdekking van medicijnen, en machinaal leren, onder andere toepassingen.

Full-scale kwantumcomputers zullen miljoenen qubits nodig hebben, wat nog niet haalbaar is. In de laatste paar jaren, onderzoekers zijn begonnen met het ontwikkelen van "Noisy Intermediate Scale Quantum" (NISQ) -chips, die ongeveer 50 tot 100 qubits bevatten. Dat is net genoeg om "kwantumvoordeel, " wat betekent dat de NISQ-chip bepaalde algoritmen kan oplossen die onhandelbaar zijn voor klassieke computers. Controleren of de chips de bewerkingen hebben uitgevoerd zoals verwacht, echter, kan erg inefficiënt zijn. De uitgangen van de chip kunnen er volledig willekeurig uitzien, dus het duurt lang om stappen te simuleren om te bepalen of alles volgens plan is verlopen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , de onderzoekers beschrijven een nieuw protocol om efficiënt te verifiëren dat een NISQ-chip alle juiste kwantumbewerkingen heeft uitgevoerd. Ze valideerden hun protocol op een notoir moeilijk kwantumprobleem dat draait op een aangepaste kwantumfotonische chip.

"Aangezien snelle vooruitgang in de industrie en de academische wereld ons aan de vooravond van kwantummachines brengt die beter kunnen presteren dan klassieke machines, de taak van kwantumverificatie wordt tijdkritisch, " zegt eerste auteur Jacques Carolan, een postdoc bij de afdeling Electrical Engineering and Computer Science (EECS) en het Research Laboratory of Electronics (RLE). "Onze techniek biedt een belangrijk hulpmiddel voor het verifiëren van een brede klasse van kwantumsystemen. Want als ik miljarden dollars investeer om een ​​kwantumchip te bouwen, het is zeker beter iets interessants te doen."

Samen met Carolan op het papier zijn onderzoekers van EECS en RLE aan het MIT, ook van het Google Quantum AI Laboratory, Elenion-technologieën, Lichtmaterie, en Zapata-computers.

Verdeel en heers

Het werk van de onderzoekers traceert in wezen een output-quantumtoestand die door het kwantumcircuit wordt gegenereerd, terug naar een bekende input-status. Hierdoor wordt onthuld welke circuitbewerkingen op de invoer zijn uitgevoerd om de uitvoer te produceren. Die operaties moeten altijd overeenkomen met wat onderzoekers hebben geprogrammeerd. Als niet, de onderzoekers kunnen de informatie gebruiken om te bepalen waar het mis is gegaan op de chip.

De kern van het nieuwe protocol is genaamd "Variational Quantum Unsampling, " ligt een "verdeel en heers"-aanpak, Carolan zegt, die de output-quantumtoestand in stukjes breekt. "In plaats van alles in één keer te doen, wat erg lang duurt, dit doen we laag voor laag ontcijferen. Dit stelt ons in staat om het probleem op te splitsen om het op een efficiëntere manier aan te pakken, ' zegt Carolan.

Voor deze, de onderzoekers lieten zich inspireren door neurale netwerken - die problemen oplossen door vele rekenlagen - om een ​​nieuw "kwantum neuraal netwerk" (QNN) te bouwen, waarbij elke laag een reeks kwantumbewerkingen vertegenwoordigt.

Om de QNN uit te voeren, ze gebruikten traditionele siliciumfabricagetechnieken om een ​​NISQ-chip van 2 bij 5 millimeter te bouwen met meer dan 170 regelparameters - afstembare circuitcomponenten die het manipuleren van het fotonpad gemakkelijker maken. Fotonenparen worden op specifieke golflengten gegenereerd door een externe component en in de chip geïnjecteerd. De fotonen reizen door de faseverschuivers van de chip - die het pad van de fotonen veranderen - en interfereren met elkaar. Dit produceert een willekeurige kwantumuitgangstoestand - die vertegenwoordigt wat er zou gebeuren tijdens de berekening. De output wordt gemeten door een reeks externe fotodetectorsensoren.

Die uitvoer wordt naar de QNN gestuurd. De eerste laag maakt gebruik van complexe optimalisatietechnieken om door de lawaaierige output te graven om de handtekening van een enkel foton te lokaliseren tussen al die samen door elkaar gegooid. Vervolgens, het "decodeert" dat ene foton uit de groep om te identificeren welke circuitbewerkingen het terugbrengen naar zijn bekende invoerstatus. Die bewerkingen moeten exact overeenkomen met het specifieke ontwerp van het circuit voor de taak. Alle volgende lagen doen dezelfde berekening - waarbij alle eerder niet-gecodeerde fotonen uit de vergelijking worden verwijderd - totdat alle fotonen zijn gedecodeerd.

Als voorbeeld, stel dat de invoerstatus van qubits die in de processor werden ingevoerd, allemaal nullen waren. De NISQ-chip voert een heleboel bewerkingen uit op de qubits om een ​​enorme, schijnbaar willekeurig veranderend nummer als uitvoer. (Een uitvoergetal zal constant veranderen omdat het zich in een kwantumsuperpositie bevindt.) De QNN selecteert brokken van dat enorme aantal. Vervolgens, laag voor laag, het bepaalt welke bewerkingen elke qubit terugzetten naar de invoerstatus nul. Als er operaties verschillen van de oorspronkelijke geplande operaties, dan is er iets misgegaan. Onderzoekers kunnen eventuele discrepanties tussen de verwachte output en inputstatussen inspecteren, en gebruik die informatie om het circuitontwerp aan te passen.

Boson "unsampling"

Bij experimenten, het team voerde met succes een populaire rekentaak uit die werd gebruikt om kwantumvoordeel aan te tonen, genaamd "bosonbemonstering, " wat meestal wordt uitgevoerd op fotonische chips. In deze oefening, faseverschuivers en andere optische componenten zullen een reeks ingangsfotonen manipuleren en omzetten in een andere kwantumsuperpositie van uitgangsfotonen. uiteindelijk, de taak is om de kans te berekenen dat een bepaalde invoerstatus overeenkomt met een bepaalde uitvoerstatus. Dat zal in wezen een steekproef zijn uit een of andere kansverdeling.

Maar het is bijna onmogelijk voor klassieke computers om die monsters te berekenen, door het onvoorspelbare gedrag van fotonen. Er is een theorie dat NISQ-chips ze vrij snel kunnen berekenen. Tot nu, echter, er is geen manier geweest om dat snel en gemakkelijk te verifiëren, vanwege de complexiteit van de NISQ-operaties en de taak zelf.

"Dezelfde eigenschappen die deze chips kwantumcomputerkracht geven, maken ze bijna onmogelijk te verifiëren, ' zegt Carolan.

Bij experimenten, de onderzoekers waren in staat om twee fotonen te "ontsamplen" die het boson-bemonsteringsprobleem hadden doorlopen op hun aangepaste NISQ-chip - en in een fractie van de tijd zou het traditionele verificatiebenaderingen vergen.

"Dit is een uitstekende paper die een niet-lineair kwantumneuraal netwerk gebruikt om de onbekende unitaire operatie te leren die wordt uitgevoerd door een zwarte doos, " zegt Stefano Pirandola, een professor in de informatica die gespecialiseerd is in kwantumtechnologieën aan de Universiteit van York. "Het is duidelijk dat dit schema erg handig kan zijn om de werkelijke poorten te verifiëren die worden uitgevoerd door een kwantumcircuit, bijvoorbeeld door een NISQ-processor. het schema dient als een belangrijk benchmarking-instrument voor toekomstige kwantumingenieurs. Het idee werd opmerkelijk geïmplementeerd op een fotonische kwantumchip."

Hoewel de methode is ontworpen voor kwantumverificatiedoeleinden, het kan ook helpen om nuttige fysieke eigenschappen vast te leggen, zegt Carolan. Bijvoorbeeld, bepaalde moleculen zullen trillen wanneer ze worden opgewonden, zenden vervolgens fotonen uit op basis van deze trillingen. Door deze fotonen in een fotonische chip te injecteren, Carolan zegt, de ontcijferingstechniek zou kunnen worden gebruikt om informatie te ontdekken over de kwantumdynamica van die moleculen om te helpen bij het bio-engineering van moleculair ontwerp. Het kan ook worden gebruikt om fotonen te ontrafelen die kwantuminformatie bevatten die ruis hebben verzameld door door turbulente ruimtes of materialen te gaan.

"De droom is om dit toe te passen op interessante problemen in de fysieke wereld, ' zegt Carolan.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.