Novo método para encontrar sistematicamente sequências de operação quântica ideais para computadores quânticos
Sequência de operação quântica (diagrama conceitual). As seis linhas azuis horizontais representam seis qubits, com a entrada à esquerda e a saída à direita. As operações são executadas da esquerda para a direita. Cada quadrado vermelho representa uma operação de 1 qubit e cada linha vertical verde conectando duas linhas azuis representa uma operação de 2 qubit. A sequência ótima de operação quântica é realizada com o menor número de operações. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações (NICT); Universidade de Keio; Universidade de Ciências de Tóquio; Escola de Ciências, Universidade de Tóquio
O Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações do Japão, a Universidade Keio, a Universidade de Ciência de Tóquio e a Universidade de Tóquio conseguiram pela primeira vez desenvolver um método para encontrar sistematicamente a sequência de operação quântica ideal para um computador quântico.
Para que um computador quântico execute uma tarefa, é necessário escrever uma sequência de operações quânticas. Até agora, os operadores de computador escreveram suas próprias sequências de operação quântica com base em métodos existentes (receitas). O que foi desenvolvido desta vez é um método sistemático que aplica a teoria de controle ótimo (algoritmo GRAPE) para identificar a sequência teoricamente ótima dentre todas as sequências de operação quântica concebíveis.
Espera-se que este método se torne uma ferramenta útil para computadores quânticos de média escala e contribua para melhorar o desempenho dos computadores quânticos e reduzir o impacto ambiental em um futuro próximo.
Este estudo foi publicado na
Revisão Física A .
Espera-se que os computadores quânticos, que estão atualmente em desenvolvimento, tenham um grande impacto na sociedade. Seus benefícios incluem a redução da carga ambiental, reduzindo o consumo de energia, encontrando novas substâncias químicas para uso médico e acelerando a busca de materiais para um ambiente mais limpo.
Um dos grandes problemas dos computadores quânticos é que o estado quântico é muito sensível ao ruído, por isso é difícil mantê-lo estável por muito tempo (mantendo um estado quântico coerente). Para obter o melhor desempenho, é necessário concluir as operações dentro do tempo em que o estado quântico coerente é mantido. Havia a necessidade de um método para identificar sistematicamente as sequências ótimas.
A fidelidade máxima F que pode ser alcançada ao preparar estados de quatro qubitsN é o número de portas de 2 qubits usadas para a preparação do estado, F é a fidelidade (se for menor que 1, a preparação do estado alvo está incompleta) e n é o número de qubits. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações (NICT); Universidade de Keio; Universidade de Ciências de Tóquio; Escola de Ciências, Universidade de Tóquio
Conquistas A equipe de pesquisa desenvolveu um método sistemático para identificar a sequência de operação quântica ideal.
Quando um computador armazena e processa informações, todas as informações são convertidas em uma sequência de bits com valores de 0 ou 1. Uma sequência de operação quântica é um programa de computador escrito em uma linguagem legível por humanos que é convertida para que possa ser processada por um computador quântico. A sequência de operação quântica consiste em operações de 1 qubit e operações de 2 qubit. A melhor sequência é aquela com o menor número de operações e apresenta o melhor desempenho.
O novo método analisa todas as sequências possíveis de operações quânticas elementares usando um algoritmo computacional chamado GRAPE, um algoritmo de teoria de controle ótimo numérico. Especificamente, ele cria uma tabela de sequências de operações quânticas e o índice de desempenho (fidelidade F) para cada sequência, variando de milhares a milhões, dependendo do número de qubits e do número de operações sob investigação. A sequência de operação quântica ideal é sistematicamente identificada com base nos dados acumulados.
Também é possível que o novo método analise a lista completa de todas as sequências de operação quântica e avalie receitas convencionais. Como tal, pode fornecer uma ferramenta valiosa para estabelecer benchmarks para pesquisas passadas e futuras sobre o desempenho de algoritmos quânticos de poucos qubits.
Melhorando o desempenho do computador quântico (diagrama conceitual). A coerência do computador quântico diminui com o tempo. Se a coerência ficar muito baixa, a informação no computador quântico perde o sentido. Ao otimizar a operação de computadores quânticos, mais informações podem ser processadas antes que a coerência quântica caia abaixo do limite de utilidade. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações (NICT); Universidade de Keio; Universidade de Ciências de Tóquio; Escola de Ciências, Universidade de Tóquio
Perspectivas futuras Espera-se que o método sistemático para encontrar a sequência de operação quântica ideal para computadores quânticos se torne uma ferramenta útil para computadores quânticos de média escala. Em um futuro próximo, espera-se melhorar o desempenho dos computadores quânticos e contribuir para reduzir a carga sobre o meio ambiente.
A equipe também descobriu que existem muitas sequências ótimas de operações quânticas que são excelentes. Isso significa que uma abordagem probabilística poderia estender a aplicabilidade desse novo método a tarefas maiores. Abordagens baseadas na análise de grandes conjuntos de dados sugerem a possibilidade de integrar o aprendizado de máquina com esse novo método para aumentar ainda mais o poder preditivo. No futuro, a equipe de pesquisa aplicará os resultados obtidos desta vez na otimização de tarefas obtidas a partir de algoritmos quânticos reais.
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