|
Понимание будущего квантовых вычислений
|
|
|
|
В рамках захватывающей разработки в области квантовых вычислений исследователи из факультета компьютерных наук Чикагского университета, Притцкеровской школы молекулярной инженерии и Аргоннской национальной лаборатории представили классический алгоритм, который имитирует эксперименты по выборке гауссовых бозонов (GBS).
|
|
|
|
Это достижение не только помогает прояснить сложности современных квантовых систем, но и представляет собой значительный шаг вперед в нашем понимании того, как квантовые и классические вычисления могут работать сообща. Исследование опубликовано в Nature Physics.
|
|
Проблема выборки гауссовых бозонов
|
|
|
|
Выборка гауссовых бозонов привлекла внимание как многообещающий подход к демонстрации квантовых преимуществ, означающий способность квантовых компьютеров выполнять задачи, которые классические компьютеры не могут выполнять эффективно. Путь, ведущий к этому прорыву, был отмечен серией инновационных экспериментов, которые проверили возможности квантовых систем.
|
|
|
|
Предыдущие исследования показали, что классические компьютеры не могут моделировать GBS в идеальных условиях. Однако доцент и автор Билл Фефферман отметил, что шум и потеря фотонов, присутствующие в реальных экспериментах, создают дополнительные проблемы, требующие тщательного анализа.
|
|
|
Примечательно, что эксперименты (подобные этим), проведенные командами крупных исследовательских центров из Университета науки и технологии Китая и канадской квантовой компании Xanadu, показали, что, хотя квантовые устройства могут выдавать результаты, соответствующие предсказаниям GBS, наличие шума часто затемняет эти результаты, что приводит к вопросам о том, как они работают. заявленное квантовое преимущество. Эти эксперименты послужили основой для текущих исследований, побудив ученых усовершенствовать свои подходы к GBS и лучше понять его ограничения.
|
|
Понимание шумов в квантовых экспериментах
|
|
|
|
"Хотя теоретические разработки показали, что квантовые системы могут превосходить классические по производительности, шум, присутствующий в реальных экспериментах, создает сложности, требующие тщательного анализа", - пояснил Фефферман. "Понимание того, как шум влияет на производительность, имеет решающее значение, поскольку мы стремимся к практическому применению квантовых вычислений".
|
|
|
|
Этот новый алгоритм устраняет эти сложности, используя высокие показатели потери фотонов, характерные для современных экспериментов с GBS, для обеспечения более эффективного и точного моделирования. Исследователи использовали классический тензорно-сетевой подход, который основан на поведении квантовых состояний в этих шумных средах, что делает моделирование более эффективным и управляемым при наличии доступных вычислительных ресурсов.
|
|
Выдающиеся результаты
|
|
|
|
Примечательно, что исследователи обнаружили, что их классическое моделирование показало лучшие результаты, чем некоторые современные эксперименты с GBS в различных тестовых условиях.
|
|
|
|
"То, что мы наблюдаем, - это не провал квантовых вычислений, а скорее возможность улучшить наше понимание их возможностей", - подчеркнул Фефферман. "Это позволяет нам совершенствовать наши алгоритмы и расширять границы того, чего мы можем достичь".
|
|
|
|
Алгоритм превзошел результаты экспериментов, точно зафиксировав идеальное распределение выходных состояний GBS, что вызвало вопросы о заявленном квантовом преимуществе существующих экспериментов. Это открытие открывает возможности для улучшения дизайна будущих квантовых экспериментов, предполагая, что повышение скорости передачи фотонов и увеличение числа сжатых состояний могут значительно повысить их эффективность.
|
|
Последствия для будущих технологий
|
|
|
|
Последствия этих открытий выходят за рамки квантовых вычислений. Поскольку квантовые технологии продолжают развиваться, они обладают потенциалом революционизировать такие области, как криптография, материаловедение и разработка лекарств. Например, квантовые вычисления могут привести к прорыву в методах безопасной коммуникации, что обеспечит более надежную защиту конфиденциальных данных.
|
|
|
|
В материаловедении квантовое моделирование может помочь открыть новые материалы с уникальными свойствами, прокладывая путь к прогрессу в технологиях, хранении энергии и производстве. Углубляя наше понимание этих систем, исследователи закладывают основу для практических применений, которые могут изменить подход к решению сложных проблем в различных отраслях.
|
|
|
|
Стремление к квантовым преимуществам - это не просто академическая задача; оно имеет ощутимые последствия для отраслей, использующих сложные вычисления. По мере развития квантовых технологий они могут сыграть решающую роль в оптимизации цепочек поставок, совершенствовании алгоритмов искусственного интеллекта и улучшении моделирования климата.
|
|
|
|
Сотрудничество между квантовыми и классическими вычислениями имеет решающее значение для реализации этих достижений, поскольку позволяет исследователям использовать сильные стороны обеих парадигм.
|
|
Совокупные исследовательские усилия
|
|
|
|
Фефферман тесно сотрудничал с профессором Лян Цзяном из Притцкеровской школы молекулярной инженерии и бывшим постдоком Чанхун О, в настоящее время доцентом Корейского института передовых наук и технологий, над предыдущей работой, кульминацией которой стало это исследование.
|
|
|
|
В 2021 году они исследовали вычислительную мощность зашумленных квантовых устройств промежуточного масштаба (NISQ) с помощью выборки бозонов с потерями. В статье показано, что потери фотонов влияют на стоимость классического моделирования в зависимости от количества входных фотонов, что может привести к экспоненциальной экономии при классической временной сложности.
|
|
|
|
Вслед за этим их вторая статья была посвящена влиянию шума на эксперименты, призванные продемонстрировать квантовое превосходство, показав, что даже при значительном шуме квантовые устройства все еще могут выдавать результаты, с которыми классическим компьютерам трудно сравниться. В своей третьей статье они исследовали выборку гауссовых бозонов (GBS), предложив новую архитектуру, которая улучшает программируемость и устойчивость к потере фотонов, делая более осуществимыми крупномасштабные эксперименты.
|
|
|
|
Затем в своей четвертой статье они представили классический алгоритм, который генерирует результаты, тесно связанные с идеальной выборкой бозонов, совершенствуя методы сравнительного анализа и подчеркивая важность тщательного выбора размеров эксперимента для сохранения квантового сигнала в условиях шума.
|
|
|
|
Наконец, в своем последнем исследовании они разработали классические алгоритмы, вдохновленные квантовой механикой, для решения задач теории графов, таких как поиск наиболее плотного k-подграфа и клики с максимальным весом, а также задачи квантовой химии, называемой генерацией молекулярных вибронных спектров. Их результаты показали, что заявленные преимущества квантовых методов могут быть не столь значительными, как считалось ранее, поскольку их классический сэмплер работает аналогично гауссову бозонному сэмплеру.
|
|
|
|
Разработка классического алгоритма моделирования не только улучшает наше понимание экспериментов по выборке гауссовых бозонов, но и подчеркивает важность продолжения исследований как в области квантовых, так и классических вычислений. Возможность более эффективного моделирования GBS служит мостом к более мощным квантовым технологиям, в конечном счете помогая ориентироваться в сложностях современных задач.
|
|
|
|
Источник
|
