Quantum circuits, de bouwstenen van kwantumcomputers, gebruik kwantummechanische effecten om taken uit te voeren. Ze zijn veel sneller en nauwkeuriger dan de klassieke circuits die tegenwoordig in elektronische apparaten worden aangetroffen. In werkelijkheid, echter, geen enkel kwantumcircuit is volledig foutloos. Het maximaliseren van de efficiëntie van een kwantumcircuit is van groot belang voor wetenschappers van over de hele wereld.

Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben dit probleem nu aangepakt met behulp van een wiskundige analoog. Ze bedachten een algoritme om expliciet het aantal benodigde computerbronnen te tellen, en geoptimaliseerd om maximale efficiëntie te verkrijgen.

"We waren in staat om [theoretisch] het meest efficiënte circuit te bouwen en de hoeveelheid benodigde middelen met een enorme factor te verminderen, " zegt Aninda Sinha, Universitair hoofddocent bij het Center for High Energy Physics, IISc, en corresponderende auteur van het artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . De onderzoekers suggereren ook dat dit de maximaal mogelijke efficiëntie is die haalbaar is voor een kwantumcircuit.

Het optimaliseren van de efficiëntie van kwantumcircuits is nuttig op verschillende gebieden, vooral kwantumcomputers. Niet alleen zullen kwantumcomputers snellere en nauwkeurigere resultaten geven dan klassieke computers, ze zullen ook veiliger zijn - ze kunnen niet worden gehackt, waardoor ze nuttig zijn voor bescherming tegen digitale bankfraude, beveiligingsinbreuken en gegevensdiefstal. Ze kunnen ook worden gebruikt om ingewikkelde taken aan te pakken, zoals het optimaliseren van transportproblemen en het simuleren van de financiële markt.

Klassieke circuits bestaan ​​uit universele logische poorten (zoals NAND- en NOR-poorten), die elk vooraf gedefinieerde bewerkingen op de invoer uitvoeren om een ​​uitvoer te produceren.

"Analoog, er zijn universele kwantumpoorten om kwantumschakelingen te maken. In werkelijkheid, de poorten zijn niet 100 procent efficiënt; er is altijd een fout in verband met de uitvoer van elke poort. En die fout kan niet worden verwijderd; het blijft gewoon toevoegen voor elke poort die in het circuit wordt gebruikt, " zegt Pratik Nandy, Sinha's Ph.D. student en co-auteur van de paper.

Het meest efficiënte circuit minimaliseert de fout in de uitvoer niet; het minimaliseert eerder de middelen die nodig zijn om diezelfde output te verkrijgen. "Dus de vraag komt neer op:gegeven een netto fouttolerantie, wat is het minimum aantal poorten dat nodig is om een ​​kwantumcircuit te bouwen?" zegt Nandy.

In 2006, een onderzoek onder leiding van Michael Nielsen, een voormalig lid van de faculteit aan de Universiteit van Queensland, toonde aan dat het tellen van het aantal poorten om maximale efficiëntie te bereiken gelijk is aan het vinden van het pad met de kortste afstand tussen twee punten in een wiskundige ruimte met volume V. Een afzonderlijk onderzoek uit 2016 voerde aan dat dit aantal direct met V zou moeten variëren.

"We gingen terug naar het oorspronkelijke werk van Nielsen en het blijkt dat zijn poorttelling je geen variatie geeft met V, het varieert eerder met V ² , ", zegt Sinha. Hij en zijn team hebben de aannames van die studie veralgemeend en enkele wijzigingen aangebracht om het optimalisatieprobleem op te lossen. "Onze berekeningen lieten zien dat het minimum aantal poorten inderdaad direct varieert met het volume, " hij zegt.

Verrassend genoeg, hun resultaten lijken ook het probleem van efficiëntie-optimalisatie te koppelen aan snaartheorie, een beroemd idee dat zwaartekracht en kwantumfysica probeert te combineren om uit te leggen hoe het universum werkt. Sinha en zijn team geloven dat deze link een hulpmiddel kan zijn bij het helpen van wetenschappers bij het interpreteren van theorieën waarbij zwaartekracht betrokken is. Ze willen ook methoden ontwikkelen die een verzameling kwantumcircuits beschrijven om bepaalde experimentele grootheden te berekenen die theoretisch niet kunnen worden gesimuleerd met bestaande methoden.