Физики посчитали энергию связи ядра дейтерия с помощью облачного квантового компьютера компании IBM, доступного через интернет.

Научные вычисления уже давно были вопросом набора команд на экране, а затем отправки этих инструкций на удаленный компьютер, который может быть вниз по залу или по всему миру. Такой удаленный доступ позволяет ученым использовать суперкомпьютеры и другие мощные машины, которыми они не могли управлять сами. Теперь эта же идея распространилась на квантовую область. Так называемые облачные квантовые вычисления теперь предлагаются несколькими компаниями, такими как IBM, Google и Rigetti, которые имеют квантовые чипы, связанные с интернетом.Сертифицированный пользователь просто отправляет код квантового программирования одному из этих квантовых провайдеров, где могут быть выполнены операции и отправлены результаты. Отсутствие потребности для потребителя выйти офис или даже выучить любые осложненные детали о " оборудовании quantum."Используя эту тенденцию, Юджин Думитреску из Национальной лаборатории Oak Ridge в Теннесси и сотрудники провели расчет энергии связывания дейтронов с помощью квантовых процессоров, доступ к которым осуществляется через облачные серверы1]. Решение этой проблемы уже было известно, но это первый раз, когда этот расчет был сделан с помощью квантовых компьютеров. Работа подчеркивает возможности для ученых, поскольку квантовые машины становятся все более и более вездесущими.

Рисунок 1: как классические биты и квантовые биты характеризуются двумя различными государствами. Разница в том, что классические биты могут быть только в одном состоянии или в другом, в то время как кубит может быть в комбинации или суперпозиции из двух.

Хотя идея квантовых компьютеров была вокруг в течение десятилетий [2], технической реализации таких машин стало возможным только в последние несколько лет. Квантовые компьютеры полагаются на манипуляцию квантовыми битами, называемыми кубитами, которые могут находиться в произвольной суперпозиции битовых состояний, нулевых и единичных (Рис. 1). Быть одновременно в двух состояниях означает, что кубиты несут больше информации, чем классические биты. Если у вас есть Н классических битов, тогда они будут в одном государстве из 2н

возможных состояний, в то время как Н кубитов может представлять всех возможных состояниях одновременно. Сила квантовых компьютеров исходит из их способности создавать большие состояния суперпозиции, запутанность и интерференцию—все свойства, которые не существуют в классических вычислениях. Это значительно меняет скорость, так как некоторые задачи, которые масштабируются экспоненциально по количеству операций на классическом компьютере, как ожидается, будут масштабироваться полиномиально на квантовом компьютере.

В настоящее время существуют несколько реализаций квантовых компьютеров, которые сочетают в себе классические биты с нескольких десятков кубитов [3]. Кубиты входят в различные физические реализации, причем некоторые из них представлены спином вверх или вниз атомов, а другие-двумя возбужденными состояниями в сверхпроводящей цепи для exmple. Некоторые квантовые машины теперь доступны для внешних пользователей. Например, IBM Q Experience-это облачная Платформа, которая позволяет исследователям проводить собственные эксперименты на одном из квантовых компьютеров на базе сверхпроводников, размещенных в разных исследовательских лабораториях IBM. В своей работе, Думитреску и соавт.получен доступ к двум облачным квантовым вычислительным системам: квантовому чипу IBM QX5 и квантовому чипу Rigetti 19Q.

Чтобы использовать эти машины, исследователи должны были свободно владеть” языком " квантовых компьютеров, который отличается от языка классических компьютеров. В целом, решение проблем с помощью квантовых компьютеров включает несколько этапов [4–6], которые можно разделить на три основных блока: (я) сформулировать задачи, которые предстоит решить в терминах унитарных матриц, (II) и переписать их матриц с точки зрения Гейтса, которые могут быть реализованы на данном квантового компьютера, и (III) внедрить и попробовать для повышения эффективности (ИИ), уменьшая количество ворота, насколько это возможно, учитывая, что очень небольшое число врат достаточно, чтобы реализовать практически любой унитарной матрицы [4].

Ворота в квантовом компьютере относятся к операции (или манипуляции) кубитов, и он всегда представлен унитарным оператором. Если рассматривать кубитское состояние как спин, то унитарным оператором будет вращение этого спина. Для простого примера предположим, что мы хотим найти энергию определенного состояния |??

. Чтобы построить это государство, мы придумали бы унитарного оператора У это будет действовать на одном или нескольких кубитах в их основном состоянии |??=у|0?. Предположим, что Гамильтониан можно вычислить из другого унитарного оператора Вт. Простой способ вычислить среднюю энергию-собрать кубиты, представляющие собой |?? и манипулировать ими с Вт при этом также манипулируя дополнительным, или ancilla, кубитом (Рис. 2). В конце этих операций измеряется ancilla qubit, возвращая либо ноль, либо единицу. Это измерение, однако, является выборкой только одной возможности из многих, поэтому необходимо повторить измерение много раз и взять среднее. В этом случае окончательные Выходные данные будут связаны со значением ожидания ?W с?

, которые могут быть преобразованы в среднюю энергию.

APS / Alan Stonebraker

Рис. 2: В облачных квантовых вычислений, пользователь формулирует задачу—например, найти энергии связи ядра—с точки зрения унитарной матрицы У, Вт, п. Эти матрицы преобразуются в операции gate, и эти команды отправляются через интернет... Показать больше

Думитреску и соавт. выбрал в качестве их расчетной целевой энергия связи дейтрона [1]. Гамильтониан в этом случае очень прост, и решение может быть найдено аналитически. Но формулирование проблемы для квантовых компьютеров является полезным упражнением, которое должно помочь в разработке процедур для решения гораздо более сложных проблем. С точки зрения трех основных блоков квантовых вычислений авторы сделали очень ясное и педагогическое описание точек (i) и (ii), в то время как пункт (iii) является более техническим и выходит за рамки расчета.

Команды стратегия была основана на так называемой квантовой eigensolver метод [7]. Сначала они представляли собой анзац из основного состояния волновая функция с точки зрения набора функций, называемых в совокупности-кластерной основе [8]. Это представление имеет один или два параметра, поэтому они рассчитали энергию для разных наборов параметров и выбрали множество, которое дало наименьшую энергию. Первоначально исследователи выполняли вычисления с двумя кубитами, которые включали только два состояния базиса связанных кластеров. Они нашли совпадающие результаты с чипами IBM и Rigetti. Они также выполнили трехкубитное вычисление только с чипом IBM. Когда результаты экстраполировались на бесконечный предел базиса (расчет, который можно было бы сделать аналитически), вычисленная энергия связывания была в отличном согласии с точными расчетами.

В настоящее время квантовые компьютеры довольно ограничены по количеству кубитов и доступных ворот. Кроме того, нужно сказать, что манипулирование кубитами не просто: спин атома, представляющего состояние кубита, например, зависит от окружающей среды, и это означает, что манипуляции кубита страдают от шума, который увеличивается с количеством ворот, применяемых к кубитам. Однако, даже учитывая такие ограничения, интерес к квантовым вычислениям буквально взорвался.Количество доступного квантового оборудования также значительно выросло, и это должно умножить возможности для изучения новых способов решения квантовых проблем многих тел в физике и химии. Исследователи уже начали глядя на то, как квантовые вычисления могут решить проблемы, например, рассеяние динамики [9] и земля-государственные решения [10].

Источник: physics.aps.org

Комментарии: