(Phys.org)—I fisici hanno dimostrato sperimentalmente un metodo puramente quantistico per risolvere sistemi di equazioni lineari che ha il potenziale per funzionare esponenzialmente più velocemente dei migliori metodi classici. I risultati mostrano che l'informatica quantistica potrebbe avere applicazioni pratiche di vasta portata, poiché la risoluzione di sistemi lineari viene comunemente eseguita in tutta la scienza e l'ingegneria.

I fisici, guidato da Haohua Wang all'Università di Zhejiang e Chao-Yang Lu e Xiaobo Zhu all'Università di Scienza e Tecnologia della Cina, insieme ai loro coautori di varie istituzioni in Cina, hanno pubblicato il loro articolo su quello che chiamano un "risolutore lineare quantistico" in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Per la prima volta, abbiamo dimostrato un algoritmo quantistico per risolvere sistemi di equazioni lineari su un circuito quantistico superconduttore, "Lu ha detto Phys.org . "[Questa è] una delle migliori piattaforme a stato solido con un'eccellente scalabilità e una notevole alta fedeltà."

L'algoritmo quantistico che hanno implementato si chiama Harrow, Hassidim, e algoritmo Lloyd (HHL), che in precedenza aveva dimostrato di avere la capacità, in linea di principio, per portare a un'accelerazione quantistica esponenziale rispetto agli algoritmi classici. Però, finora questo non è stato dimostrato sperimentalmente.

Nel nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che un circuito quantistico superconduttore che esegue l'algoritmo HHL può risolvere il tipo più semplice di sistema lineare, che ha due equazioni con due variabili. Il metodo utilizza solo quattro qubit:un qubit ancilla (un componente universale della maggior parte dei sistemi di calcolo quantistico), e tre qubit che corrispondono al vettore di input B e le due soluzioni rappresentate dal vettore soluzione X nel sistema lineare standard A X = B , dove A è una matrice 2 x 2.

Eseguendo una serie di rotazioni, scambi di stati, e conversioni binarie, l'algoritmo HHL determina le soluzioni a questo sistema, che può quindi essere letto da una misura di non demolizione quantistica. I ricercatori hanno dimostrato il metodo utilizzando 18 diversi vettori di input e la stessa matrice, generando soluzioni diverse per input diversi. Come spiegano i ricercatori, è troppo presto per dire quanto più velocemente potrebbe funzionare questo metodo quantistico poiché questi problemi sono facilmente risolvibili con i metodi classici.

"L'intero processo di calcolo richiede circa un secondo, " Zhu ha detto. "È difficile confrontare direttamente la versione attuale con i metodi classici ora. In questo lavoro, abbiamo mostrato come risolvere il più semplice sistema lineare 2 x 2, che può essere risolto con i metodi classici in un tempo molto breve. Il potere chiave dell'algoritmo quantistico HHL è che, quando si risolve una matrice di sistema 's-sparse' di dimensioni molto grandi, può ottenere un'accelerazione esponenziale rispetto al miglior metodo classico. Perciò, sarebbe molto più interessante mostrare un simile confronto quando la dimensione dell'equazione lineare viene ridimensionata in un sistema molto grande".

I ricercatori si aspettano che, nel futuro, questo circuito quantistico potrebbe essere scalato per risolvere sistemi lineari più grandi. Hanno inoltre in programma di migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema apportando alcune semplici modifiche alla fabbricazione del dispositivo per ridurre parte degli errori nella sua implementazione. Inoltre, i ricercatori vogliono studiare come il circuito potrebbe essere utilizzato per implementare altri algoritmi quantistici per una varietà di applicazioni su larga scala.

"La nostra ricerca futura si concentrerà sul miglioramento delle prestazioni dell'hardware, compresi tempi di coerenza più lunghi, porte logiche di maggiore precisione, un numero maggiore di qubit, diafonia inferiore, migliore fedeltà di lettura, eccetera., " ha detto Wang. "Sulla base del miglioramento dell'hardware, dimostreremo e ottimizzeremo più algoritmi quantistici per mostrare davvero la potenza del processore quantistico superconduttore".

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