Stel je een wereld voor waarin complexe berekeningen, die momenteel maanden duren voordat onze beste supercomputers zijn gekraakt, binnen enkele minuten kunnen worden uitgevoerd. Quantum computing zorgt voor een revolutie in onze digitale wereld. In een onderzoeksartikel gepubliceerd in Intelligent Computing onthulden onderzoekers een geautomatiseerde aanpak voor protocolontwerp die de rekenkracht van kwantumapparaten sneller zou kunnen ontsluiten dan we hadden verwacht.

Kwantumcomputervoordeel vertegenwoordigt een cruciale mijlpaal in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. Het duidt op het vermogen van kwantumcomputers om bij bepaalde taken beter te presteren dan klassieke supercomputers. Het bereiken van kwantumcomputervoordeel vereist speciaal ontworpen protocollen. Willekeurige circuitbemonstering heeft bijvoorbeeld veelbelovende resultaten opgeleverd in recente experimenten.

Een probleem waarmee rekening moet worden gehouden bij pogingen om willekeurige circuitsampling te gebruiken, is dat de structuur van een willekeurig kwantumcircuit zorgvuldig moet worden ontworpen om de kloof tussen kwantumcomputers en klassieke simulatie te vergroten. Om deze uitdaging aan te gaan, ontwikkelden onderzoekers He-Liang Huang, Youwei Zhao en Chu Guo een geautomatiseerde protocolontwerpbenadering voor het bepalen van het optimale willekeurige kwantumcircuit in experimenten met kwantumcomputingvoordeel.

De kwantumprocessorarchitectuur die wordt gebruikt voor experimenten met willekeurige circuitbemonstering maakt gebruik van poortpatronen van 2 qubit. De 2-qubit-poort realiseert de interactie tussen de twee qubits door in te werken op de toestanden van de twee qubits, waardoor een kwantumcircuit wordt geconstrueerd en kwantumcomputers worden gerealiseerd.

Het is noodzakelijk om de klassieke simulatiekosten te maximaliseren om ervoor te zorgen dat de superieure prestaties van quantum computing volledig worden benut bij het uitvoeren van berekeningen. Het bepalen van het optimale willekeurige kwantumcircuitontwerp om de klassieke simulatiekosten te maximaliseren is echter niet eenvoudig.

Om het optimale willekeurige kwantumcircuit te vinden, moeten eerst alle mogelijke patronen worden uitgeput, vervolgens de klassieke simulatiekosten voor elk ervan worden geschat en degene met de hoogste kosten worden geselecteerd. De klassieke simulatiekosten zijn sterk afhankelijk van het gebruikte algoritme, maar het traditionele algoritme heeft momenteel de beperking dat de schattingstijd te lang is.

De door de auteurs voorgestelde nieuwe methode maakt gebruik van het Schrödinger-Feynman-algoritme. Dit algoritme verdeelt het systeem in twee subsystemen en vertegenwoordigt hun kwantumtoestanden als toestandsvectoren. De kosten van het algoritme worden bepaald door de verstrengeling die tussen de twee subsystemen ontstaat. Het evalueren van de complexiteit met behulp van dit algoritme vergt veel minder tijd, en de voordelen worden duidelijker naarmate de willekeurige kwantumcircuitgrootte toeneemt.

De auteurs hebben experimenteel de effectiviteit bewezen van het willekeurige kwantumcircuit verkregen door de voorgestelde methode in vergelijking met andere algoritmen. Er werden vijf willekeurige kwantumcircuits gegenereerd in de Zuchongzhi 2.0-kwantumprocessor, elk met een andere complexiteit van het Schrödinger-Feynman-algoritme. Experimentele resultaten laten zien dat circuits met een hogere complexiteit ook hogere kosten hebben.

Verwacht wordt dat de rivaliteit tussen klassieke en kwantumcomputers binnen tien jaar zal eindigen. Deze nieuwe aanpak maximaliseert de rekenkracht van quantum computing zonder nieuwe eisen aan de quantumhardware te stellen. Bovendien zou de snellere groei van kwantumverstrengeling de belangrijkste reden kunnen zijn dat deze nieuwe aanpak willekeurige kwantumcircuits met hogere klassieke simulatiekosten kan verkrijgen.

In de toekomst kan het begrijpen van dit fenomeen en de onderliggende fysica onderzoekers helpen praktische toepassingen te verkennen met behulp van kwantumvoordeelexperimenten.

Meer informatie: He-Liang Huang et al., Hoe je een klassiek moeilijk willekeurig kwantumcircuit ontwerpt voor experimenten met kwantumcomputationeel voordeel, Intelligent computergebruik (2024). DOI:10.34133/icomputing.0079

Aangeboden door Intelligent Computing