Ученые находят способ повысить производительность квантовых компьютеров

Ученые USC продемонстрировали теоретический метод повышения производительности квантовых компьютеров, что является важным шагом для расширения технологии, способной решить некоторые из самых сложных проблем общества.

Метод устраняет слабость, которая препятствует работе компьютеров следующего поколения, подавляя ошибочные вычисления и увеличивая точность результатов, что является критическим шагом прежде, чем машины смогут превзойти классические компьютеры, как предполагалось. Названная «динамическая развязка», она работала на двух квантовых компьютерах, оказалась проще и надежнее других средств защиты, и к ней можно было получить доступ через облако, которое является первым для динамической развязки.

Этот метод управляет стаккатовыми всплесками крошечных, сфокусированных импульсов энергии, чтобы компенсировать возмущения окружающей среды, которые устраняют чувствительные вычисления. Исследователи сообщают, что им удалось выдержать квантовое состояние в три раза дольше, чем в противном случае в неконтролируемом состоянии.

«Это шаг вперед, - сказал Даниэль Лидар, профессор электротехники, химии и физики в USC и директор Центра квантовой информатики и технологий USC (CQIST). «Без подавления ошибок квантовыми вычислениями невозможно обогнать классические вычисления».

Результаты были опубликованы сегодня в журнале Physical Review Letters . Лидар - профессор инженерных наук Витерби в USC и соответствующий автор исследования; он возглавлял команду исследователей в CQIST, которая является сотрудничеством между инженерной школой USC Viterbi и школой изданий USC Dornsife Letters, Arts and Sciences. Запуск IBM и Bay Area Rigetti Computing обеспечил облачный доступ к своим квантовым компьютерам.

Квантовые компьютеры бывают быстрыми, но хрупкими

Квантовые компьютеры имеют потенциал для выпуска устаревших современных суперкомпьютеров и продвижения прорывов в области медицины, финансов и обороны. Они используют скорость и поведение атомов, которые радикально отличаются от кремниевых компьютерных микросхем, для выполнения, казалось бы, невозможных вычислений.

Квантовые вычисления могут оптимизировать новые лекарственные терапии, модели изменения климата и конструкции для новых машин. Они могут обеспечить более быструю доставку продукции, снизить затраты на промышленные товары и более эффективную транспортировку. На них работают кубиты, субатомные рабочие лошади и строительные блоки квантовых вычислений.

Но кубиты столь же темпераментны, как и высокопроизводительные гоночные автомобили. Они быстрые и высокотехнологичные, но подвержены ошибкам и нуждаются в стабильности для поддержания вычислений. Когда они работают неправильно, они дают плохие результаты, что ограничивает их возможности по сравнению с традиционными компьютерами. Ученые во всем мире еще не достигли «квантового преимущества» - точки, где квантовый компьютер превосходит обычный компьютер на любой задаче.

Проблема заключается в «шуме», полном описании дескриптора для возмущений, таких как звук, температура и вибрация. Он может дестабилизировать кубиты, что создает «декогеренцию», расстройство, которое нарушает продолжительность квантового состояния, что сокращает время, когда квантовый компьютер может выполнять задачу при достижении точных результатов.

«Шум и декогеренция имеют большие последствия и разрушают вычисления, а квантовый компьютер со слишком большим шумом бесполезен», - объяснил Лидар. «Но если вы можете сбить проблемы, связанные с шумом, то вы начнете приближаться к точке, где квантовые компьютеры станут более полезными, чем классические компьютеры».

Исследования USC охватывают множество вычислительных платформ

USC - единственный университет в мире с квантовым компьютером; его 1098-кубитный D-Wave квантовый отжиг специализируется на решении задач оптимизации. Часть центра USC-Lockheed Martin для квантовых вычислений, он расположен в Институте информационных наук USC. Тем не менее, последние результаты исследований были достигнуты не на D-Wave-машине, а на меньших масштабах - на квантовых компьютерах общего назначения:

16-кубитов QX5 от IBM и 16-кубитовой Желуде Ригетти.

Для достижения динамической развязки (ДД) исследователи омывали сверхпроводящие кубиты плотно сфокусированными импульсами с мгновенной электромагнитной энергией. Путем манипулирования импульсами ученые смогли окупить кубиты в микроокружение, секвестрированные или развязанные - от окружающего окружающего шума, тем самым увековечивая квантовое состояние.

«Мы пробовали простой механизм для уменьшения ошибок в машинах, которые оказались эффективными», - сказал Бибек Похарел, инженер-докторант электротехники в USC Viterbi и первый автор исследования.

Временные последовательности для экспериментов были чрезвычайно малы с до 200 импульсами, охватывающими до 600 наносекунд. Одна миллиардная часть секунды, или наносекунда, - это то, сколько времени требуется для прохождения света на одну ногу.

Для квантовых компьютеров IBM конечная точность улучшилась втрое, с 28,9% до 88,4%. По данным исследования, для квантового компьютера Rigetti окончательное улучшение точности было более скромным - 17 процентов, с 59,8 до 77,1. Ученые испытали, как долгое улучшение верности может быть устойчивым, и обнаружил, что большее количество импульсов всегда улучшало ситуацию для компьютера Rigetti, тогда как для компьютера IBM был предел около 100 импульсов.

В целом, результаты показывают, что метод DD работает лучше, чем другие методы квантовой коррекции ошибок, которые были предприняты до сих пор, сказал Лидар.

«Насколько нам известно, - писали исследователи, - это означает первую недвусмысленную демонстрацию успешного смягчения декогеренции в облачных сверхпроводящих кубитовых платформах ... мы ожидаем, что извлеченные уроки будут иметь широкое применение».

Высокие ставки в гонке за квантовое превосходство

Стремление к превосходству квантовых вычислений является геополитическим приоритетом для Европы, Китая, Канады, Австралии и Соединенных Штатов. Преимущество, полученное благодаря приобретению первого компьютера, который сделает все остальные компьютеры устаревшими, будет огромным и даст победителю экономические, военные и общественные преимущества.

Конгресс рассматривает два новых законопроекта о создании Соединенных Штатов в качестве лидера в области квантовых вычислений. В сентябре Палата представителей приняла Закон о национальной квантовой инициативе о выделении 1,3 млрд. Долл. США в течение пяти лет для стимулирования исследований и разработок. Это создало бы Национальное бюро по квантовой координации в Белом доме для наблюдения за исследованиями по всей стране. Отдельный законопроект, Закон о квантовых вычислениях, сенатор Камала Харрис, D-Calif., Руководит Министерством обороны, чтобы возглавить работу по квантовым вычислениям.

«Квантовые вычисления - это следующий технологический рубеж, который изменит мир, и мы не можем позволить себе отстать», - сказал Харрис в подготовленных замечаниях. «Это может создать рабочие места для следующего поколения, вылечить болезни и, прежде всего, сделать нашу нацию более сильной и безопасной ... Без адекватных исследований и координации в области квантовых вычислений мы рискуем отстать от нашей глобальной конкуренции в гонке киберпространства, которая оставляет нас уязвим для нападений наших противников », - сказала она.

Источник: m.vk.com

Комментарии: