Tiến bộ trong thuật toán kết hợp làm cho máy tính lượng tử nhỏ, ồn ào trở nên khả thi

Các thuật toán lai có thể đáp ứng các qubit hạn chế, thiếu sửa lỗi cho các tác vụ trong thế giới thực.

Như đã báo cáo trong một bài báo trên tạp chí Nature Reviews Physics , thay vì đợi các máy tính lượng tử hoàn chỉnh xuất hiện, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và các tổ chức hàng đầu khác đã phát triển các thuật toán lượng tử / cổ điển kết hợp để rút ra hiệu suất cao nhất — và lợi thế lượng tử tiềm năng — khỏi sự ồn ào ngày nay. , phần cứng dễ bị lỗi. Được gọi là thuật toán lượng tử biến thiên, chúng sử dụng các hộp lượng tử để điều khiển các hệ thống lượng tử trong khi chuyển phần lớn khối lượng công việc sang các máy tính cổ điển để cho phép chúng làm điều mà chúng hiện đang làm tốt nhất: giải quyết các vấn đề tối ưu hóa.

“Máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ vượt trội hơn các máy tính cổ điển trong một số nhiệm vụ nhất định, nhưng trên phần cứng lượng tử hiện có, chúng không thể chạy các thuật toán dài. Chúng có quá nhiều nhiễu khi chúng tương tác với môi trường, điều này làm hỏng thông tin đang được xử lý, ”Marco Cerezo, nhà vật lý chuyên về tính toán lượng tử, máy học lượng tử và thông tin lượng tử tại Los Alamos và là tác giả chính của bài báo cho biết. “Với các thuật toán lượng tử biến thiên, chúng tôi có được những điều tốt nhất của cả hai thế giới. Chúng ta có thể khai thác sức mạnh của máy tính lượng tử cho các nhiệm vụ mà máy tính cổ điển không thể làm dễ dàng, sau đó sử dụng máy tính cổ điển để khen ngợi sức mạnh tính toán của các thiết bị lượng tử ”.

Các máy tính lượng tử quy mô trung gian, ồn ào hiện nay có từ 50 đến 100 qubit, nhanh chóng mất đi tính “lượng tử” và thiếu khả năng sửa lỗi, đòi hỏi nhiều qubit hơn. Tuy nhiên, kể từ cuối những năm 1990, các nhà lý thuyết đã phát triển các thuật toán được thiết kế để chạy trên một máy tính lượng tử lớn, có khả năng sửa lỗi, chịu lỗi được lý tưởng hóa.

“Chúng tôi chưa thể triển khai các thuật toán này vì chúng cho kết quả vô nghĩa hoặc chúng yêu cầu quá nhiều qubit. Vì vậy, mọi người nhận ra rằng chúng tôi cần một cách tiếp cận thích ứng với những hạn chế của phần cứng mà chúng tôi có — một vấn đề tối ưu hóa, ”Patrick Coles, một nhà vật lý lý thuyết đang phát triển các thuật toán tại Los Alamos và là tác giả chính của bài báo cho biết.

Coles cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi có thể biến tất cả các vấn đề quan tâm thành các vấn đề tối ưu hóa, có tiềm năng với lợi thế lượng tử, nghĩa là máy tính lượng tử đánh bại một máy tính cổ điển trong nhiệm vụ này. Những vấn đề đó bao gồm mô phỏng cho khoa học vật liệu và hóa học lượng tử, tính toán các số, phân tích dữ liệu lớn, và hầu như mọi ứng dụng đã được đề xuất cho máy tính lượng tử.

Các thuật toán được gọi là biến đổi bởi vì quá trình tối ưu hóa sẽ thay đổi thuật toán một cách nhanh chóng, như một loại máy học. Nó thay đổi các tham số và cổng logic để giảm thiểu hàm chi phí, đây là một biểu thức toán học đo lường mức độ thực hiện nhiệm vụ của thuật toán. Vấn đề được giải quyết khi hàm chi phí đạt giá trị thấp nhất có thể.

Trong một hàm lặp trong thuật toán lượng tử biến thiên, máy tính lượng tử ước tính hàm chi phí, sau đó chuyển kết quả đó trở lại máy tính cổ điển. Máy tính cổ điển sau đó điều chỉnh các thông số đầu vào và gửi chúng đến máy tính lượng tử, máy tính này sẽ chạy lại quá trình tối ưu hóa.

Bài báo đánh giá này có nghĩa là một giới thiệu toàn diện và tham khảo sư phạm cho các nhà nghiên cứu bắt đầu trên lĩnh vực non trẻ này. Trong đó, các tác giả thảo luận về tất cả các ứng dụng cho các thuật toán và cách chúng hoạt động, cũng như đề cập đến những thách thức, cạm bẫy và cách giải quyết chúng. Cuối cùng, nó nhìn vào tương lai, xem xét các cơ hội tốt nhất để đạt được lợi thế lượng tử trên các máy tính sẽ ra mắt trong vài năm tới.

Tham khảo: “Các thuật toán lượng tử biến thiên” của M. Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C. Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R. McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio và Patrick J. Coles, ngày 12 tháng 8 2021, Nature Nhận xét Vật lý .
DOI: 10.1038 / s42254-021-00348-9

Tài trợ: Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), chương trình Nghiên cứu Máy tính Khoa học Tiên tiến; Trung tâm Khoa học Lượng tử DOE (QSC); Chương trình Nghiên cứu và Phát triển do Phòng thí nghiệm Chỉ đạo, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos.

Theo Scitechdaily