IBM Quantum Experience

Захваченные ионы и сверхпроводники объединили для тестирования

В настоящее время существует несколько основных направлений технологий, которые предполагается использовать при разработке квантовых компьютеров. Каждая потенциальная технология имеет свои сильные и слабые стороны, но мало что было сделано для прямого сравнения производительности прототипов. Ученые из исследовательского института в Колледж Парке (JQI), Мэриленд провели первый в своем роде тест двух небольших квантовых компьютеров, построенных с использованием различных технологий.

Возглавлял исследование Кристофер Монро и доктор наук Норберт Линке, которые протестировали свой небольшой квантовый компьютер, построенный на архитектуре IBM. Обе машины используют пять кубитов — фундаментальные единицы информации в квантовом компьютере, и обе машины имеют одинаковые частоты ошибок. Но в тоже время, устройство из JQI использует в своей основе систему захваченных ионов атомов, а IBM Q использует систему связанных между собой сверхпроводящих материалов.

Для того чтобы сделать их сравнение, команда из JQI запускала несколько квантовых программ на устройствах, каждое из которых решало простую задачу, используя серию логических вентилей для манипуляции одним или двумя кубитами за раз. Исследователи использовали квантовый компьютер IBM Q, с помощью онлайн интерфейса, который позволяет любому попровать свои силы при программировании IBM Q.

У обеих компьютеров есть свои сильные и слабые стороны. Например, у сверхпроводящей системы имеются более быстрые логические вентили и такой материал легче изготовить. Но искусственные кубиты на сверхпроводящей платформе все немного отличаются друг от друга и имеют небольшой срок службы. Монро поясняет, что медленные вентили получаемые за счет манипуляций ионами не являются серьезным препятствием.

«Потому что есть время жизни захваченных ионных кубитов, которое намного больше, чем у любого другого типа кубита. Более того, ионные кубиты идентичны, и в вычислениях они производят меньше ошибок», - рассказал Монро.

Когда тест был проведен, исследователи обнаружили, что модуль захваченных кубитов был более точным для программ, в которых требовались манипуляции над многими парами кубитов. Линке и Монро связывают это с тем простым фактом, что каждый кубит в их устройстве связан со всеми остальными, а это значит, что логические вентили могут соединять любую пару кубитов. IBM Q имеет менее половины соединений с экземпляром из JQI, и для запуска некоторых программ физикам пришлось перетасовывать информацию между кубитами — необходимый шаг, который тоже вносил свои ошибки. Когда эта перетасовка не была необходимой, то два компьютера имели сходную производительность.

«По мере создания больших систем, осуществление связи между кубитами станет еще более важным», - говорит Монро.

Это новое исследование, недавно опубликованное в сборнике «Труды Национальной Академии наук», является важным эталоном для исследователей, занимающихся квантовыми вычислениями. Подобные сравнения станут все более важными в будущем.

«Если вы захотите купить квантовый компьютер, то вам нужно знать, какой из них лучше подходит для вашего приложения, вам нужно будет протестировать их каким-то образом, и это первое подобное сравнение», - сообщил Линке.

Пояснения к изображениям:

На первом изображении, 60_1, Fig. 1, показано графическое представление двух тестируемых систем. На области (А) показан сверхпроводящие кубиты, соединенны микроволновым резонатором (IBM). На области (B) показана линейная цепь захваченных ионов, соединенная с помощью лазерного взаимодействия. (на вставках А и B) показаны типы графов: (A) в форме звезды и (B) в форме полного соединения.

На втором изображении, 60_2, Fig. 2, показаны высокоуровневые логические схемы реализованных вычислений. (A-D) вентилли Марголуса (А), вентили Тоффоли (B), Бернштейна-Вазирани (С), и скрытый сдвиг (D). Алгоритм Бернштейн-Вазирани показан для оракула с = (1 1 1 1), где присутствует схема CNOT. Схема скрытого сдвига показана для шаблона сдвига s = (1 0 1 1), где операции X присутствуют на кубитах 1, 3, 4.

На третьем изображении, 60_3, Fig. 3, показаны результаты с участием вентилей Марголуса для графа в виде звезды сверхпроводника (А1) и для формы полного соединения графа захваченного иона (B1). Численные значения вероятностей составляют 74,1 (7)% и 90,1 (2)% соответственно. Полные результаты вентилей Тоффоли дают вероятности 52,6 (8)% для сверхпроводящего кубита (А2) и 85,0 (2)% для системы ловушек ионов (B2). Оси на графике представляют собой 3-битные состояния двоичных чисел. Для каждого входного состояния показаны вероятности каждых обнаруженных состояний.

На четвертом изображении, 60_4, Fig. 4, показаны распределения вероятностей для алгоритма Бернштейна-Вазирани для функции оракула f_c(x) = x_0*c_0?c_1*x_1?c_2*x_2?c_3*x_3 для всех 4-битных оракулов представленных с помощью графа для сверхпроводника (А1) и для формы полного соединения графа (B1). Средние вероятности составляют 72,8 (5)% для сверхпроводника и 85,1 (1)% для системы захваченных ионов. Алгоритм скрытого сдвига для f(x) = x_0*x_1?x_2*x_3. Все возможные сдвиги 4-битных значений функции оракула представлены для сверхпроводящей системы (А2) и для захваченных ионов (B2). Средние вероятности составляют 35,1 (6)% и 77,1 (2)%. Оси обозначают состояния и параметры оракулы представляют собой 4-битные двоичные значения.

Источник: quantumexperience.ng.bluemix.net

Комментарии: