Sequenza di operazioni quantistiche (diagramma concettuale). Le sei linee blu orizzontali rappresentano sei qubit, con l'input a sinistra e l'output a destra. Le operazioni vengono eseguite da sinistra a destra. Ogni quadrato rosso rappresenta un'operazione a 1 qubit e ogni linea verticale verde che collega due linee blu rappresenta un'operazione a 2 qubit. La sequenza operativa quantistica ottimale si realizza con il minor numero di operazioni. Credito:Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT); Università di Keio; Università delle Scienze di Tokyo; Scuola di Scienze, Università di Tokyo
L'Istituto nazionale giapponese di tecnologia dell'informazione e delle comunicazioni, la Keio University, la Tokyo University of Science e l'Università di Tokyo sono riuscite per la prima volta a sviluppare un metodo per trovare sistematicamente la sequenza operativa quantistica ottimale per un computer quantistico.
Affinché un computer quantistico esegua un compito, è necessario scrivere una sequenza di operazioni quantistiche. Finora, gli operatori di computer hanno scritto le proprie sequenze di operazioni quantistiche basate su metodi esistenti (ricette). Ciò che è stato sviluppato questa volta è un metodo sistematico che applica la teoria del controllo ottimale (algoritmo GRAPE) per identificare la sequenza teoricamente ottimale tra tutte le sequenze di operazioni quantistiche concepibili.
Questo metodo dovrebbe diventare uno strumento utile per i computer quantistici di media scala e dovrebbe contribuire a migliorare le prestazioni dei computer quantistici e ridurre l'impatto ambientale nel prossimo futuro.
Questo studio è stato pubblicato in Physical Review A .
Si prevede che i computer quantistici, attualmente in fase di sviluppo, avranno un grande impatto sulla società. I loro vantaggi includono la riduzione del carico ambientale riducendo il consumo di energia, la ricerca di nuove sostanze chimiche per uso medico e l'accelerazione della ricerca di materiali per un ambiente più pulito.
Uno dei grossi problemi per i computer quantistici è che lo stato quantistico è molto sensibile al rumore, quindi è difficile mantenerlo stabile per lungo tempo (mantenendo uno stato quantistico coerente). Per ottenere le migliori prestazioni, è necessario completare le operazioni entro il tempo in cui viene mantenuto lo stato quantistico coerente. C'era bisogno di un metodo per identificare sistematicamente le sequenze ottimali.
La massima fedeltà F che può essere raggiunta durante la preparazione di stati a quattro qubitN è il numero di porte a 2 qubit utilizzate per la preparazione dello stato, F è la fedeltà (se inferiore a 1, la preparazione dello stato target è incompleta) e n è il numero di qubit. Credito:Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT); Università di Keio; Università delle Scienze di Tokyo; Scuola di Scienze, Università di Tokyo
Risultati
Il team di ricerca ha sviluppato un metodo sistematico per identificare la sequenza operativa quantistica ottimale.
Quando un computer memorizza ed elabora informazioni, tutte le informazioni vengono convertite in una stringa di bit con valori di 0 o 1. Una sequenza di operazioni quantistiche è un programma per computer scritto in un linguaggio leggibile dall'uomo che viene convertito in modo che possa essere elaborato da un computer quantistico. La sequenza di operazioni quantistiche consiste in operazioni a 1 qubit e operazioni a 2 qubit. La sequenza migliore è quella con il minor numero di operazioni e mostra le migliori prestazioni.
Il nuovo metodo analizza tutte le possibili sequenze di operazioni quantistiche elementari utilizzando un algoritmo computazionale chiamato GRAPE, un algoritmo di teoria del controllo numerico ottimo. Nello specifico, crea una tabella di sequenze operative quantistiche e l'indice di prestazione (fedeltà F) per ciascuna sequenza, che va da migliaia a milioni, a seconda del numero di qubit e del numero di operazioni in esame. La sequenza operativa quantistica ottimale viene identificata sistematicamente in base ai dati accumulati.
È anche possibile per il nuovo metodo analizzare l'elenco completo di tutte le sequenze operative quantistiche e valutare le ricette convenzionali. In quanto tale, può fornire uno strumento prezioso per stabilire parametri di riferimento per la ricerca passata e futura sulle prestazioni di algoritmi quantistici a pochi qubit.
Miglioramento delle prestazioni dei computer quantistici (diagramma concettuale). La coerenza del computer quantistico diminuisce nel tempo. Se la coerenza diventa troppo bassa, le informazioni nel computer quantistico diventano prive di significato. Ottimizzando il funzionamento dei computer quantistici, è possibile elaborare più informazioni prima che la coerenza quantistica scenda al di sotto della soglia di utilità. Credito:Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT); Università di Keio; Università delle Scienze di Tokyo; Scuola di Scienze, Università di Tokyo
Prospettive future
Il metodo sistematico per trovare la sequenza operativa quantistica ottimale per i computer quantistici dovrebbe diventare uno strumento utile per i computer quantistici di media scala. Nel prossimo futuro si prevede che migliorerà le prestazioni dei computer quantistici e contribuirà a ridurre l'onere per l'ambiente.
Il team ha anche scoperto che ci sono molte sequenze ottimali di operazioni quantistiche che sono eccellenti. Ciò significa che un approccio probabilistico potrebbe estendere l'applicabilità di questo nuovo metodo a compiti più ampi. Gli approcci basati sull'analisi di grandi set di dati suggeriscono la possibilità di integrare l'apprendimento automatico con questo nuovo metodo per potenziare ulteriormente il potere predittivo. In futuro, il team di ricerca applicherà i risultati ottenuti questa volta all'ottimizzazione dei compiti ottenuti da algoritmi quantistici reali. + Esplora ulteriormente
