Desbloqueando o poder da computação quântica:design de protocolo automatizado para vantagem quântica

(A – C) Custos de simulação clássica, com os custos correspondentes do algoritmo de Schrödinger-Feynman mostrados na legenda. (D) O circuito quântico aleatório ideal projetado pelo método proposto para o mais recente experimento de vantagem computacional quântica do Google. Crédito:He-Liang Huang et al.

Imagine um mundo onde cálculos complexos que atualmente levam meses para serem decifrados pelos nossos melhores supercomputadores poderiam ser realizados em questão de minutos. A computação quântica está revolucionando nosso mundo digital. Em um artigo de pesquisa publicado na Intelligent Computing , os pesquisadores revelaram uma abordagem automatizada de design de protocolo que poderia desbloquear o poder computacional dos dispositivos quânticos mais cedo do que imaginávamos.

A vantagem computacional quântica representa um marco crítico no desenvolvimento de tecnologias quânticas. Significa a capacidade dos computadores quânticos de superar os supercomputadores clássicos em certas tarefas. Alcançar vantagem computacional quântica requer protocolos especialmente projetados. A amostragem aleatória de circuitos, por exemplo, demonstrou resultados promissores em experimentos recentes.

Uma questão que deve ser considerada nas tentativas de usar amostragem de circuito aleatório é que a estrutura de um circuito quântico aleatório deve ser cuidadosamente projetada para ampliar a lacuna entre a computação quântica e a simulação clássica. Para enfrentar o desafio, os pesquisadores He-Liang Huang, Youwei Zhao e Chu Guo desenvolveram uma abordagem automatizada de design de protocolo para determinar o circuito quântico aleatório ideal em experimentos de vantagem computacional quântica.

A arquitetura do processador quântico usada para experimentos de amostragem de circuitos aleatórios usa padrões de porta de 2 qubits. A porta de 2 qubits realiza a interação entre os dois qubits agindo nos estados dos dois qubits, construindo assim um circuito quântico e realizando a computação quântica.

É necessário maximizar o custo da simulação clássica para garantir que o desempenho superior da computação quântica seja totalmente explorado na realização de cálculos. No entanto, determinar o projeto de circuito quântico aleatório ideal para maximizar o custo da simulação clássica não é simples.

Encontrar o circuito quântico aleatório ideal requer primeiro esgotar todos os padrões possíveis, depois estimar o custo da simulação clássica para cada um deles e selecionar aquele com o custo mais alto. O custo da simulação clássica é altamente dependente do algoritmo utilizado, mas o algoritmo tradicional atualmente tem a limitação de que o tempo de estimativa é muito longo.

O novo método proposto pelos autores utiliza o algoritmo de Schrödinger-Feynman. Este algoritmo divide o sistema em dois subsistemas e representa seus estados quânticos como vetores de estado. O custo do algoritmo é determinado pelo emaranhado gerado entre os dois subsistemas. Avaliar a complexidade usando esse algoritmo requer muito menos tempo e as vantagens se tornam mais aparentes à medida que o tamanho do circuito quântico aleatório aumenta.

Os autores comprovaram experimentalmente a eficácia do circuito quântico aleatório obtido pelo método proposto em comparação com outros algoritmos. Cinco circuitos quânticos aleatórios foram gerados no processador quântico Zuchongzhi 2.0, cada um com uma complexidade de algoritmo de Schrödinger-Feynman diferente. Resultados experimentais mostram que circuitos com maior complexidade também apresentam custos mais elevados.

Espera-se que a rivalidade entre a computação clássica e a quântica termine dentro de uma década. Esta nova abordagem maximiza o poder computacional da computação quântica sem impor novos requisitos ao hardware quântico. Além disso, a principal razão pela qual esta nova abordagem pode obter circuitos quânticos aleatórios com custos de simulação clássicos mais elevados pode ser o crescimento mais rápido do emaranhamento quântico.

No futuro, a compreensão deste fenômeno e de sua física subjacente poderá ajudar os pesquisadores a explorar aplicações práticas usando experimentos de vantagem quântica.

Mais informações: He-Liang Huang et al, Como projetar um circuito quântico aleatório classicamente difícil para experimentos de vantagem computacional quântica, Computação Inteligente (2024). DOI:10.34133/icomputing.0079
Fornecido por Computação Inteligente

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