Wetenschap
Onderzoekers ontwikkelen compilerversnellingstechnologie voor kwantumcomputers
Onderzoekers zijn erin geslaagd een techniek te ontwikkelen om met behulp van een probabilistische methode snel te zoeken naar de optimale kwantumpoortsequentie voor een kwantumcomputer.
Om een kwantumcomputer een taak te laten uitvoeren, moet hij een compiler gebruiken om instructies die in een programmeertaal zijn geschreven, om te zetten in een reeks poortbewerkingen op kwantumbits, of kortweg qubits. Ze pasten eerder de optimale controletheorie (GRAPE-algoritme) toe op een uitputtende zoektocht om een methode te ontwikkelen om de theoretisch optimale poortsequentie te identificeren, maar naarmate het aantal qubits toeneemt, neemt het aantal mogelijke combinaties toe.
Naarmate het aantal explosief toeneemt, wordt een uitputtende zoektocht onmogelijk. Als we bijvoorbeeld een uitputtende zoektocht zouden uitvoeren om de optimale poortsequentie te vinden voor de taak om een willekeurige kwantumtoestand van 6 qubits te genereren, zou het langer duren dan de leeftijd van het universum als we de snelste klassieke computer gebruiken die momenteel beschikbaar is.
P>Daarom probeerden de onderzoekers een methode te ontwikkelen om met behulp van een probabilistische benadering naar de optimale kwantumpoortsequentie te zoeken, en dat is gelukt. Met behulp van de supercomputer Fugaku werd bevestigd en gedemonstreerd dat het met behulp van een nieuwe probabilistische willekeurige zoekmethode mogelijk is om binnen een paar uur te zoeken naar de optimale kwantumpoortsequentie voor het bovenstaande probleem.
Verwacht wordt dat deze nieuwe methode de compilers van kwantumcomputers zal versnellen, een nuttig hulpmiddel zal worden voor praktische kwantumcomputers en zal leiden tot verbeterde prestaties van kwantumcomputerapparaten. Het kan ook worden toegepast om de verwerking van kwantuminformatie op kwantumrelaisknooppunten te optimaliseren, zodat het naar verwachting zal bijdragen aan de realisatie van het kwantuminternet en het verminderen van de impact op het milieu.
Dit resultaat werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review A op 6 mei 2024.
De verwachting is dat kwantumcomputers, die momenteel in ontwikkeling zijn, een grote impact zullen hebben op de samenleving. Hun voordelen zijn onder meer het verminderen van de milieubelasting door het verminderen van het energieverbruik, het vinden van nieuwe chemische stoffen voor medisch gebruik, het versnellen van de zoektocht naar materialen voor een schoner milieu, enz. Een van de grote problemen voor kwantumcomputers is dat de kwantumtoestand erg gevoelig is voor ruis. , dus het is moeilijk om het voor een lange tijd stabiel te houden (behoud van een coherente kwantumtoestand).
Voor de beste prestaties moeten de operaties plaatsvinden binnen een tijd die het mogelijk maakt dat de kwantumtoestand coherent blijft. Afgezien van het speciale geval waarin het aantal qubits erg klein is, is er echter geen goede methode bekend om de optimale kwantumpoortreeks te vinden.
Er werd gewacht op een oplossing die de moeilijkheid van de explosieve toename van het aantal mogelijke poortreeksen vermijdt, zelfs bij grootschalige kwantumberekeningen, en die efficiënte zoekopdrachten mogelijk maakt binnen de tijd en rekenbronnen die op klassieke computers kunnen worden uitgevoerd.
Het onderzoeksteam introduceerde een probabilistische methode om een systematische methode te ontwikkelen die efficiënt kan zoeken naar de optimale kwantumpoortsequentie binnen de uitvoeringstijd en computerbronnen.
Wanneer een computer informatie opslaat en verwerkt, wordt alle informatie omgezet in een reeks bits met waarden van 0 of 1. Een kwantumpoortreeks is een computerprogramma dat is geschreven in een voor mensen leesbare taal nadat het is geconverteerd, zodat het kan worden verwerkt. door een kwantumcomputer. De kwantumpoortreeks bestaat uit poorten van 1 qubit en poorten van 2 qubit. De beste reeks is die met de minste poorten en vertoont de beste prestaties.
Hun onderzoek toont de geschatte rekentijd wanneer wordt gezocht naar het optimaliseren van de betrouwbaarheid F op de snelste klassieke computer voor elke poortopstelling, met behulp van het optimale controletheorie-algoritme GRAPE voor het voorbereiden van n qubit-toestanden. De ononderbroken blauwe lijn is de zogenaamde leeftijd van het universum (13,7 miljard jaar). Naarmate het aantal qubits toeneemt, neemt het aantal mogelijke combinaties explosief toe, zodat bij n=6 de totale rekentijd groter is dan de leeftijd van het universum.
Analyse van alle mogelijke reeksen voor kleine qubitgetallen laat zien dat er veel optimale kwantumpoortreeksen zijn. Dit suggereert de mogelijkheid om uit te breiden naar grote kwantumtaken en de optimale kwantumpoortsequentie te vinden met behulp van een probabilistische zoekmethode in plaats van een uitputtende zoektocht.
Ze tonen ook de verschijningssnelheid (p) van sequenties met betrouwbaarheid F =1 voor de voorbereiding van een toestand bestaande uit n =8 qubits, die werd onderzocht met behulp van de supercomputer Fugaku. De snelheid p wordt uitgedrukt als een functie van het aantal 2-qubit CNOT-poorten (N) in de reeks. Het is duidelijk dat de probabilistische methode zeer efficiënt is, omdat het aantal F=1-voorvallen snel toeneemt wanneer de ondergrens van N (N=124) wordt overschreden.
Het verschijningspercentage van F=1 bij N=129, wat iets hoger is dan N=124, is bijvoorbeeld meer dan 50%, dus als je twee keer naar een poortarrangement zoekt, zul je een kwantumreeks vinden met F=1. gemiddeld minstens één keer. Op deze manier is ontdekt dat het door gebruik te maken van een probabilistische methode mogelijk is om meerdere ordes van grootte sneller naar optimale kwantumpoortreeksen te zoeken dan wanneer er met een uitputtende zoekmethode wordt gezocht.
De ontwikkelde systematische en probabilistische methode om optimale kwantumpoortsequenties voor kwantumcomputers te bieden, zal naar verwachting een nuttig hulpmiddel worden voor praktische kwantumcomputers en de snelheid van kwantumcomputercompilers vergroten. Verwacht wordt dat het de prestaties van kwantumcomputers zal verbeteren en zal bijdragen aan de ontwikkeling van kwantumknooppunten in het kwantuminternet en de vermindering van de milieubelasting.
In de toekomst zal het onderzoeksteam de in dit onderzoek verkregen resultaten integreren met machine learning-benaderingen en deze toepassen om de prestaties van kwantumcomputers te optimaliseren, met als doel kwantumcompilers verder te versnellen en een database met optimale kwantumpoortsequenties te creëren.
Het onderzoeksteam bestaat uit het National Institute of Information and Communications Technology, RIKEN, Tokyo University of Science en de Universiteit van Tokyo.