Badanie ujawnia granice tego, jak daleko błędy kwantowe można „cofnąć” w dużych systemach

Komputery kwantowe mają potencjał, aby przewyższać komputery klasyczne w niektórych praktycznie istotnych problemach z przetwarzaniem informacji, być może nawet w zakresie uczenia maszynowego i optymalizacji. Jednak ich powszechne rozpowszechnienie nie jest jeszcze możliwe, głównie ze względu na ich wrażliwość na hałas, co powoduje, że popełniają błędy.

Istnieje technologia przeznaczona do obsługi tych błędów, zwana kwantową korekcją błędów, która działa „w locie”, monitorując błędy i odtwarzając obliczenia, gdy wystąpią. Pomimo ogromnego postępu w tym kierunku, jaki nastąpił w ostatnich miesiącach, strategia ta pozostaje eksperymentalnie bardzo wymagająca i wiąże się ze znacznymi kosztami zasobów.

Alternatywne podejście, znane jako łagodzenie błędów kwantowych, działa w bardziej pośredni sposób: zamiast poprawiać błędy w momencie ich pojawienia się, obliczenia obarczone błędami (lub ich zmodyfikowane wersje) są wykonywane aż do zakończenia. Dopiero na końcu można wrócić i wyciągnąć właściwe wnioski. Metodę tę zaproponowano jako „obejście” mające na celu rozwiązanie błędów popełnianych przez komputery kwantowe przed wdrożeniem pełnej korekcji błędów.

Jednak naukowcy z MIT, École Supérieure de Lyon, Uniwersytetu Wirginii i Wolnego Uniwersytetu w Berlinie wykazali, że techniki łagodzenia błędów kwantowych stają się wysoce nieskuteczne w miarę zwiększania się rozmiarów komputerów kwantowych.

Oznacza to, że ograniczenie błędów nie będzie długoterminowym skutecznym rozwiązaniem odwiecznego problemu szumu w obliczeniach kwantowych. Zostało opublikowane W Fizyka przyrodyNiniejszy raport zawiera wytyczne dotyczące programów, które prawie na pewno są nieskuteczne w łagodzeniu negatywnego wpływu hałasu na obliczenia kwantowe.

„Myśleliśmy o nałożeniu ograniczeń na obliczenia kwantowe w najbliższej przyszłości przy użyciu hałaśliwych bramek kwantowych” – powiedział Phys.org współautor badania Jens Eisert.

„Nasz kolega z drużyny Daniel Stelke właśnie udowodnił Francji wynik Było to poważnym ograniczeniem dla obliczeń kwantowych w najbliższej przyszłości. Pokazał, że w przypadku szumu spolaryzowanego na głębokości logarytmicznej można osiągnąć stan kwantowy, który można uchwycić za pomocą wydajnych klasycznych technik próbkowania. „Właśnie myśleliśmy o łagodzeniu błędów kwantowych, ale potem pomyśleliśmy: «Czekaj, co to wszystko oznacza dla łagodzenia błędów kwantowych?».

Niedawny artykuł Yihui Kueka, Daniela Stelke-France, Sumeeta Khatriego, Johannesa Jakoba Mayera i Jensa Eiserta opiera się na tym pytaniu badawczym, mając na celu zbadanie dokładnych granic łagodzenia błędów kwantowych. Ich odkrycia pokazują, jak łagodzenie błędów kwantowych może pomóc w zmniejszeniu wpływu szumu na obliczenia kwantowe krótkiego zasięgu.

„Łagodzenie błędów kwantowych miało służyć jako alternatywa dla korekcji błędów kwantowych, ponieważ wymaga mniej precyzyjnej inżynierii do wdrożenia, dlatego pojawiła się nadzieja, że ​​będzie w zasięgu, nawet w przypadku możliwości eksperymentalnych” – Yihui Kuek, główny autor artykułu , powiedział Phys.org current”.

„Ale kiedy przyglądaliśmy się tym stosunkowo prostszym schematom łagodzenia skutków, zaczęliśmy zdawać sobie sprawę, że być może nie można mieć ciastka i zjeść ciastka — tak, wymagają one mniej kubitów i kontroli, ale często odbywa się to kosztem konieczności uruchomienia całego systemu niepokojąco dużą liczbę razy.”

Przykładem schematu łagodzenia, który według zespołu ma ograniczenia, jest tzw. „ekstrapolacja bez błędów”. Schemat ten polega na stopniowym zwiększaniu ilości szumu w systemie, a następnie przekształcaniu wyników obliczeń charakteryzujących się największymi zakłóceniami w scenariusz pozbawiony zakłóceń.

„Zasadniczo, aby zwalczyć hałas, należy zwiększyć poziom szumu w systemie” – wyjaśnił Quick. „Nawet intuicyjnie nie da się tego skalować”.

Obwody kwantowe (tj. procesory kwantowe) składają się z wielu warstw bramek kwantowych, z których każda jest zasilana i ulepszana przez obliczenia wykonane w poprzedniej warstwie. Jeśli jednak bramki działają hałaśliwie, każda warstwa obwodu staje się mieczem obosiecznym: przyspieszając obliczenia, sama bramka wprowadza dodatkowe błędy.

„Prowadzi to do straszliwego paradoksu: potrzeba wielu warstw bramek (a co za tym idzie głębokiego obwodu), aby wykonać nietrywialne obliczenia” – powiedział Quick.

„Jednak głębszy obwód jest również głośniejszy i prawdopodobnie powoduje więcej nonsensów. Dlatego istnieje wyścig między szybkością wykonywania obliczeń a szybkością gromadzenia się błędów w obliczeniach”.

„Nasza praca pokazuje, że istnieją bardzo złożone obwody, których szybkość reakcji jest znacznie większa, niż pierwotnie sądzono, do tego stopnia, że ​​aby wygładzić te złożone obwody, trzeba je uruchamiać nieosiągalną liczbę razy określonego algorytmu, którego używasz.” Aby złagodzić wagę błędu.

Niedawne badanie przeprowadzone przez Quicka, Eiserta i ich współpracowników sugeruje, że łagodzenie błędów kwantowych nie jest tak skalowalne, jak niektórzy oczekiwali. W rzeczywistości zespół odkrył, że wraz ze wzrostem rozmiaru obwodów kwantowych wysiłek lub zasoby potrzebne do obsługi łagodzenia błędów rosną wykładniczo.

„Jak w przypadku wszystkich teorii odrzucenia, wolimy postrzegać je jako zaproszenie, a nie przeszkodę” – powiedział Eisert.

„Być może pracując z geometrycznie połączonymi lokalnymi komponentami, dochodzimy do bardziej optymistycznych ustawień, w takim przypadku nasze granice są być może zbyt pesymistyczne. Typowe struktury architektoniczne często charakteryzują się takimi lokalnymi interakcjami. Nasze badanie można również postrzegać jako wezwanie do zastanowienia się nad bardziej spójnymi schematami w celu ograniczenia błędów ilościowych.”

Odkrycia tego zespołu badawczego mogą służyć jako przewodnik dla fizyków i inżynierów kwantowych na całym świecie, inspirując ich do opracowania alternatywnych i skuteczniejszych schematów łagodzenia błędów kwantowych. Ponadto wyniki te mogą zainspirować inne badania skupiające się na teoretycznych aspektach losowych obwodów kwantowych.

„Poprzednie, skąpe prace nad indywidualnymi algorytmami łagodzenia błędów kwantowych wskazywały, że te schematy nie będą skalowalne” – powiedział Quick.

„Opracowaliśmy framework, który obsługuje duży przekrój poszczególnych algorytmów. To pozwoliło nam argumentować, że to zaobserwowane przez innych niedociągnięcie ma swoje korzenie w samej idei łagodzenia błędów kwantowych – i nie ma nic wspólnego z samą koncepcją łagodzenia błędów kwantowych. konkretnej realizacji.”

„Jest to możliwe dzięki opracowanym przez nas maszynom matematycznym, które zapewniają najsilniejsze znane dotychczas wyniki dotyczące tego, jak szybko obwody tracą informacje kwantowe z powodu szumu fizycznego”.

W przyszłości artykuł Quicka, Eiserta i ich współpracowników może pomóc badaczom zidentyfikować typy schematów łagodzenia błędów kwantowych, które najprawdopodobniej będą nieskuteczne. Podstawowy wgląd koncepcyjny w wyniki zespołu polega na skrystalizowaniu intuicji, że bramki dalekiego zasięgu (tj. bramki z kubitami oddzielonymi dużymi odległościami) mogą być zarówno użyteczne, jak i problematyczne, ponieważ łatwo powodują splątanie, usprawniając obliczenia, jednocześnie się rozprzestrzeniając… Szum w systemie szybciej.

„To oczywiście otwiera drzwi do pytania, czy możliwe jest osiągnięcie przewagi kwantowej bez użycia tych„ superrozrzutników ”zarówno kwantu, jak i jego najgorszych wrogów (tj. szumu)” – dodał Quick. „Warto zauważyć, że nie wszystkie nasze wyniki się sprawdzają, gdy w trakcie obliczeń zostaną wprowadzone nowe kubity pomocnicze, więc ich pewna ilość może być konieczna”.

W kolejnych badaniach naukowcy planują przenieść punkt ciężkości ze zidentyfikowanych problemów na potencjalne rozwiązania tych problemów. Niektórzy z ich kolegów poczynili już pewne postępy w tym kierunku, stosując kombinację pomiarów stochastycznych i technik ilościowego ograniczania błędów.

© 2024 Web of Science