Een samenwerking tussen Harvard University met wetenschappers van QuEra Computing, MIT, University of Innsbruck en andere instellingen heeft een baanbrekende toepassing aangetoond van kwantumprocessors met neutrale atomen om praktische problemen op te lossen.

De studie werd mede geleid door Mikhail Lukin, de George Vasmer Leverett Professor of Physics aan Harvard en co-directeur van het Harvard Quantum Initiative, Markus Greiner, George Vasmer Leverett Professor of Physics, en Vladan Vuletic, Lester Wolfe Professor of Physics aan het MIT . Het onderzoek, getiteld "Quantum Optimization of Maximum Independent Set using Rydberg Atom Arrays", werd op 5 mei 2022 gepubliceerd in Science .

Eerder was voorgesteld om kwantumprocessors met een neutraal atoom efficiënt te coderen voor bepaalde harde combinatorische optimalisatieproblemen. In deze baanbrekende publicatie implementeren de auteurs niet alleen de eerste implementatie van efficiënte kwantumoptimalisatie op een echte kwantumcomputer, maar demonstreren ze ook ongekende kwantumhardware.

De berekeningen zijn uitgevoerd op Harvard's kwantumprocessor van 289 qubits die in de analoge modus werken, met effectieve circuitdiepten tot 32. In tegenstelling tot eerdere voorbeelden van kwantumoptimalisatie, maakten de grote systeemgrootte en circuitdiepte die in dit werk werden gebruikt het onmogelijk om klassieke simulaties om de regelparameters vooraf te optimaliseren. Een kwantumklassiek hybride algoritme moest worden ingezet in een gesloten lus, met directe, geautomatiseerde feedback naar de kwantumprocessor.

Deze combinatie van systeemgrootte, circuitdiepte en uitstekende kwantumcontrole culmineerde in een kwantumsprong:er werden probleemgevallen gevonden met empirisch beter dan verwachte prestaties op de kwantumprocessor versus klassieke heuristiek. Door de moeilijkheidsgraad van de optimalisatieprobleeminstanties te karakteriseren met een 'hardheidsparameter', identificeerde het team gevallen die klassieke computers uitdaagden, maar die efficiënter werden opgelost met de kwantumprocessor met neutraal atoom. Er werd een superlineaire kwantumversnelling gevonden in vergelijking met een klasse van generieke klassieke algoritmen. De open-sourcepakketten GenericTensorNetworks.jl en Bloqade.jl van QuEra waren behulpzaam bij het ontdekken van harde instanties en het begrijpen van kwantumprestaties.

"Door een diepgaand begrip van de onderliggende fysica van het kwantumalgoritme en de fundamentele beperkingen van zijn klassieke tegenhanger, konden we manieren bedenken waarop de kwantummachine een versnelling kan bereiken", zegt Madelyn Cain, afgestudeerde student van Harvard en een van de hoofdauteurs .

Het belang van matchmaking tussen probleem- en kwantumhardware staat centraal in dit werk:"Om in de nabije toekomst zoveel mogelijk kwantumkracht te extraheren, is het van cruciaal belang om problemen te identificeren die native kunnen worden toegewezen aan de specifieke kwantumarchitectuur, met weinig tot geen overhead", zegt Shengtao Wang, Senior Scientist bij QuEra Computing en een van de mede-uitvinders van de kwantumalgoritmen die in dit werk worden gebruikt, "en we hebben precies dat bereikt in deze demonstratie."

Het probleem van de "maximale onafhankelijke set", opgelost door het team, is een paradigmatische zware taak in de informatica en heeft brede toepassingen in logistiek, netwerkontwerp, financiën en meer. De identificatie van klassiek uitdagende probleeminstanties met kwantumversnelde oplossingen effent het pad voor het toepassen van kwantumcomputing om tegemoet te komen aan echte industriële en sociale behoeften.

"Deze resultaten vertegenwoordigen de eerste stap naar het brengen van bruikbaar kwantumvoordeel voor harde optimalisatieproblemen die relevant zijn voor meerdere industrieën", voegde Alex Keesling, CEO van QuEra Computing en co-auteur van het gepubliceerde werk toe. "We zijn erg blij om te zien dat kwantumcomputing het noodzakelijke volwassenheidsniveau begint te bereiken, waarbij de hardware de ontwikkeling van algoritmen kan helpen die verder gaan dan wat vooraf kan worden voorspeld met klassieke rekenmethoden. Bovendien is de aanwezigheid van een kwantumversnelling voor gevallen van harde problemen is buitengewoon bemoedigend. Deze resultaten helpen ons betere algoritmen en geavanceerdere hardware te ontwikkelen om enkele van de moeilijkste, meest relevante computerproblemen aan te pakken." + Verder verkennen

Onderzoekers ontwikkelen kwantumpoort waarmee optimalisatieproblemen kunnen worden onderzocht