Em um passo em direção à computação quântica prática, pesquisadores do MIT, Google, e em outros lugares projetaram um sistema que pode verificar quando os chips quânticos realizaram com precisão cálculos complexos que os computadores clássicos não conseguem.

Os chips quânticos realizam cálculos usando bits quânticos, chamado de "qubits, "que pode representar os dois estados correspondentes aos bits binários clássicos - um zero ou um - ou uma" superposição quântica "de ambos os estados simultaneamente. O estado de superposição único pode permitir que os computadores quânticos resolvam problemas que são praticamente impossíveis para os computadores clássicos, potencialmente estimulando avanços em design de material, descoberta de drogas, e aprendizado de máquina, entre outras aplicações.

Computadores quânticos em grande escala exigirão milhões de qubits, o que ainda não é viável. Nos últimos anos, pesquisadores começaram a desenvolver chips "Noisy Intermediate Scale Quantum" (NISQ), que contêm cerca de 50 a 100 qubits. Isso é apenas o suficiente para demonstrar "vantagem quântica, "significando que o chip NISQ pode resolver certos algoritmos intratáveis ​​para computadores clássicos. Verificar se os chips executaram as operações conforme o esperado, Contudo, pode ser muito ineficiente. As saídas do chip podem parecer totalmente aleatórias, portanto, leva muito tempo para simular etapas para determinar se tudo correu conforme o planejado.

Em um artigo publicado hoje em Física da Natureza , os pesquisadores descrevem um novo protocolo para verificar com eficiência se um chip NISQ executou todas as operações quânticas corretas. Eles validaram seu protocolo em um problema quântico notoriamente difícil rodando em um chip fotônico quântico personalizado.

"À medida que os rápidos avanços na indústria e na academia nos levam à cúspide das máquinas quânticas que podem superar as máquinas clássicas, a tarefa de verificação quântica torna-se crítica em termos de tempo, "diz o primeiro autor Jacques Carolan, pós-doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE). "Nossa técnica fornece uma ferramenta importante para verificar uma ampla classe de sistemas quânticos. Porque se eu investir bilhões de dólares para construir um chip quântico, com certeza é melhor fazer algo interessante. "

Juntando-se a Carolan no artigo estão pesquisadores do EECS e RLE do MIT, bem como do Laboratório Google Quantum AI, Elenion Technologies, Lightmatter, e Zapata Computing.

Dividir e conquistar

O trabalho dos pesquisadores rastreia essencialmente um estado quântico de saída gerado pelo circuito quântico de volta a um estado de entrada conhecido. Isso revela quais operações de circuito foram realizadas na entrada para produzir a saída. Essas operações devem sempre corresponder ao que os pesquisadores programaram. Se não, os pesquisadores podem usar as informações para localizar onde as coisas deram errado no chip.

No núcleo do novo protocolo, chamado "Variational Quantum Unsampling, "reside uma abordagem de" dividir para conquistar ", Carolan diz, que divide o estado quântico de saída em pedaços. "Em vez de fazer tudo de uma vez, o que leva muito tempo, fazemos essa decodificação camada por camada. Isso nos permite dividir o problema para enfrentá-lo de uma forma mais eficiente, "Carolan diz.

Por esta, os pesquisadores se inspiraram em redes neurais - que resolvem problemas por meio de muitas camadas de computação - para construir uma nova "rede neural quântica" (QNN), onde cada camada representa um conjunto de operações quânticas.

Para executar o QNN, eles usaram técnicas tradicionais de fabricação de silício para construir um chip NISQ de 2 por 5 milímetros com mais de 170 parâmetros de controle - componentes de circuito ajustáveis ​​que facilitam a manipulação do caminho do fóton. Pares de fótons são gerados em comprimentos de onda específicos de um componente externo e injetados no chip. Os fótons viajam através dos deslocadores de fase do chip - que mudam o caminho dos fótons - interferindo uns nos outros. Isso produz um estado de saída quântica aleatório - que representa o que aconteceria durante a computação. A saída é medida por uma série de sensores fotodetectores externos.

Essa saída é enviada para o QNN. A primeira camada usa técnicas de otimização complexas para vasculhar a saída ruidosa para localizar a assinatura de um único fóton entre todos aqueles embaralhados. Então, ele "decodifica" aquele único fóton do grupo para identificar quais operações de circuito o retornam ao seu estado de entrada conhecido. Essas operações devem corresponder exatamente ao projeto específico do circuito para a tarefa. Todas as camadas subsequentes fazem o mesmo cálculo - removendo da equação todos os fótons não embaralhados - até que todos os fótons sejam desembaralhados.

Como um exemplo, digamos que o estado de entrada dos qubits alimentados no processador fosse todo zeros. O chip NISQ executa um monte de operações nos qubits para gerar um enorme, aparentemente alterando o número aleatoriamente como saída. (Um número de saída estará mudando constantemente, pois está em uma superposição quântica.) O QNN seleciona pedaços desse número massivo. Então, camada por camada, ele determina quais operações revertem cada qubit de volta ao seu estado de entrada de zero. Se alguma operação for diferente das operações planejadas originais, então algo deu errado. Os pesquisadores podem inspecionar qualquer incompatibilidade entre a saída esperada e os estados de entrada, e usar essa informação para ajustar o projeto do circuito.

Boson "unsampling"

Em experimentos, a equipe executou com sucesso uma tarefa computacional popular usada para demonstrar a vantagem quântica, chamado de "amostragem de bóson, "que geralmente é realizado em chips fotônicos. Neste exercício, deslocadores de fase e outros componentes ópticos irão manipular e converter um conjunto de fótons de entrada em uma superposição quântica diferente de fótons de saída. Em última análise, a tarefa é calcular a probabilidade de que um determinado estado de entrada corresponderá a um determinado estado de saída. Isso será essencialmente uma amostra de alguma distribuição de probabilidade.

Mas é quase impossível para computadores clássicos computar essas amostras, devido ao comportamento imprevisível dos fótons. Foi teorizado que os chips NISQ podem computá-los com bastante rapidez. Até agora, Contudo, não há como verificar isso de forma rápida e fácil, devido à complexidade envolvida com as operações do NISQ e a própria tarefa.

"As mesmas propriedades que dão a esses chips poder computacional quântico os tornam quase impossíveis de verificar, "Carolan diz.

Em experimentos, os pesquisadores foram capazes de "retirar a amostra" de dois fótons que haviam passado pelo problema de amostragem do bóson em seu chip NISQ personalizado - e em uma fração de tempo isso tomaria abordagens de verificação tradicionais.

"Este é um excelente artigo que emprega uma rede neural quântica não linear para aprender a operação unitária desconhecida realizada por uma caixa preta, "diz Stefano Pirandola, professor de ciência da computação especializado em tecnologias quânticas na Universidade de York. "É claro que este esquema pode ser muito útil para verificar as portas reais que são executadas por um circuito quântico - [por exemplo] por um processador NISQ. Deste ponto de vista, o esquema serve como uma importante ferramenta de benchmarking para futuros engenheiros quânticos. A ideia foi implementada de forma notável em um chip quântico fotônico. "

Embora o método tenha sido projetado para fins de verificação quântica, também pode ajudar a capturar propriedades físicas úteis, Carolan diz. Por exemplo, certas moléculas, quando excitadas, vibram, em seguida, emitem fótons com base nessas vibrações. Ao injetar esses fótons em um chip fotônico, Carolan diz, a técnica de decodificação poderia ser usada para descobrir informações sobre a dinâmica quântica dessas moléculas para auxiliar no projeto molecular da bioengenharia. Também poderia ser usado para decifrar fótons carregando informações quânticas que acumularam ruído ao passar por materiais ou espaços turbulentos.

“O sonho é aplicar isso a problemas interessantes do mundo físico, "Carolan diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.