Studie odhaluje hranice toho, jak dalece lze kvantové chyby „odstranit“ ve velkých systémech

Kvantové počítače mají potenciál překonat klasické počítače v některých prakticky relevantních problémech zpracování informací, možná i ve strojovém učení a optimalizaci. Jejich plošné nasazení však zatím není možné, a to především proto, že jsou citlivé na hluk, díky kterému chybují.

Existuje technologie navržená ke zpracování těchto chyb známá jako kvantová korekce chyb, která je navržena tak, aby fungovala „za běhu“, monitorovala chyby a obnovovala výpočty, když k nim dojde. Navzdory obrovskému pokroku v posledních měsících v tomto směru zůstává tato strategie experimentálně velmi náročná a přináší značné náklady na zdroje.

Alternativní přístup, známý jako kvantové zmírňování chyb, funguje více nepřímo: namísto opravy chyb v okamžiku, kdy se objeví, je až do dokončení spuštěn výpočet s chybami (nebo jeho upravené verze). Teprve na konci se lze vrátit a vyvodit správný závěr. Tato metoda byla navržena jako „obcházení“ pro řešení chyb způsobených kvantovými počítači předtím, než je možné implementovat úplnou opravu chyb.

Vědci z MIT, École Supérieure de Lyon, University of Virginia a Free University of Berlin však prokázali, že techniky kvantového zmírnění chyb se stávají vysoce neefektivními, protože kvantové počítače se zvětšují a zvětšují.

To znamená, že zmírňování chyb nebude dlouhodobým řešením problému šumu v kvantových počítačích. Bylo zveřejněno v Fyzika přírodyTato zpráva poskytuje návod na schémata, která jsou téměř jistě neúčinná pro zmírnění negativního dopadu hluku na kvantové výpočty.

„Přemýšleli jsme o zavedení limitů pro kvantové výpočty v blízké budoucnosti pomocí hlučných kvantových hradel,“ řekl spoluautor studie Jens Eisert Phys.org.

„Náš týmový kolega Daniel Stelke právě dokázal Francii výsledek To bylo silné omezení pro kvantové výpočty v blízké budoucnosti. Ukázal, že pro polarizovaný šum lze v logaritmické hloubce dosáhnout kvantového stavu, který lze zachytit pomocí účinných klasických technik vzorkování. „Právě jsme přemýšleli o kvantovém zmírnění chyb, ale pak jsme si řekli: ‚Počkejte, co to všechno znamená pro zmírnění kvantových chyb?“

Nedávný článek Yihui Kueka, Daniela Stelke-France, Sumeeta Khatriho, Johannese Jakoba Mayera a Jense Eiserta na této výzkumné otázce staví a má za cíl prozkoumat přesné limity zmírňování kvantových chyb. Jejich zjištění odhalují, jak zmírnění kvantových chyb může pomoci snížit dopad hluku na kvantové výpočty s krátkým dosahem.

„Zmírnění kvantových chyb mělo sloužit jako alternativa ke kvantové korekci chyb, protože vyžaduje méně přesné inženýrství k implementaci, a proto existovala naděje, že bude na dosah, dokonce i pro experimentální schopnosti,“ Yihui Kuek, hlavní autor článku. , řekl Phys.org.

„Ale když jsme zírali na tato relativně jednodušší schémata zmírňování, začali jsme si uvědomovat, že si možná nemůžete dát svůj dort a sníst ho – ano, vyžadují méně qubitů a kontroly, ale to často přichází za cenu toho, že musíte spustit celý systém se znepokojivě velkým počtem případů.“

Příkladem zmírňujícího schématu, u kterého tým zjistil omezení, je to, co je známé jako „extrapolace bez chyb“. Toto schéma funguje tak, že postupně zvyšuje množství šumu v systému a poté převádí nejhlučnější výsledky výpočtu do scénáře bez šumu.

„V zásadě, abyste bojovali proti hluku, měli byste zvýšit hluk ve svém systému,“ vysvětlil Quick. „Ani intuitivně to zjevně nelze škálovat.“

Kvantové obvody (tj. kvantové procesory) se skládají z více vrstev kvantových hradel, z nichž každá je napájena a posouvána pomocí výpočtů provedených v předchozí vrstvě. Ale pokud jsou hradla hlučná, každá vrstva v obvodu se stává dvousečným mečem: zatímco postupuje ve výpočtu, brána sama zavádí další chyby.

„To vede ke strašlivému paradoxu: potřebujete mnoho vrstev hradel (a tedy hluboký obvod), abyste mohli provést netriviální výpočet,“ řekl Quick.

„Hlubší okruh je však také hlučnější – a pravděpodobně bude produkovat více nesmyslů, takže existuje závod mezi rychlostí, jakou můžete provádět výpočty, a rychlostí, jakou se chyby ve výpočtech hromadí.“

„Naše práce ukazuje, že existují vysoce složité obvody, u kterých je rychlost odezvy mnohem rychlejší, než se původně předpokládalo, a to natolik, že k vyhlazení těchto složitých obvodů byste je museli spustit neproveditelný počet opakování konkrétní algoritmus, který používáte.“ Ke zmírnění závažnosti chyby.

Nedávná studie Quicka, Eiserta a jejich kolegů naznačuje, že zmírňování kvantových chyb není tak škálovatelné, jak někteří očekávali. Ve skutečnosti tým zjistil, že s rostoucí velikostí kvantových obvodů exponenciálně roste úsilí nebo zdroje potřebné k provozu zmírňování chyb.

„Stejně jako u všech teorií odmítnutí to raději považujeme za pozvání než jako překážku,“ řekl Eisert.

„Možná tím, že pracujeme s geometricky propojenými lokálními komponenty, dojdeme k optimističtějším nastavením, v takovém případě jsou naše hranice možná až příliš pesimistické ke zmírnění kvantitativních chyb.“

Zjištění tohoto výzkumného týmu mohou sloužit jako vodítko pro kvantové fyziky a inženýry po celém světě a inspirovat je k vymýšlení alternativních a efektivnějších schémat pro zmírnění kvantových chyb. Tyto výsledky mohou navíc inspirovat další studie zaměřující se na teoretické aspekty náhodných kvantových obvodů.

„Předchozí řídké práce na jednotlivých algoritmech pro zmírnění kvantových chyb naznačovaly, že tato schémata nebudou škálovatelná,“ řekl Quick.

„Přišli jsme s rámcem, který pojme velký průřez těchto jednotlivých algoritmů, což nám umožnilo tvrdit, že tento nedostatek pozorovaný ostatními má kořeny v samotné myšlence zmírňování kvantových chyb – a nemá nic společného s tímto algoritmem. konkrétní implementaci.“

„Umožňují to matematické stroje, které jsme vyvinuli a které představují dosud nejsilnější známé výsledky o tom, jak rychle obvody ztrácejí své kvantové informace kvůli fyzickému šumu.“

V budoucnu může článek Quicka, Eiserta a jejich kolegů pomoci výzkumníkům identifikovat typy schémat kvantového zmírnění chyb, které budou s největší pravděpodobností neúčinné. Základním koncepčním vhledem do výsledků týmu je vykrystalizovat intuici, že brány s dlouhým dosahem (tj. brány s qubity oddělenými velkými vzdálenostmi) mohou být užitečné i problematické, protože snadno vytvářejí zapletení, posouvají výpočetní techniku ​​a zároveň šíří… Šum v systému rychleji.

„To samozřejmě otevírá dveře k otázce, zda je možné dosáhnout kvantové výhody bez použití těchto ‚superrozšiřovačů‘ jak kvanta, tak jeho nejhorších nepřátel (tj. hluku),“ dodal Quick. „Stojí za zmínku, že ne všechny naše výsledky platí, když jsou uprostřed výpočtu zavedeny nové pomocné qubity, takže určité množství toho může být nutné.“

Ve svých příštích studiích vědci plánují přesunout zaměření od problémů, které identifikovali, na možná řešení k překonání těchto problémů. Někteří z jejich kolegů již v tomto směru dosáhli určitého pokroku, když použili kombinaci stochastických měření a technik kvantitativního zmírňování chyb.

© 2024 Web of Science