Et af de vigtigste mål inden for kvanteberegning er at opnå det, der er kendt som en kvantefordel. Dette udtryk beskriver i det væsentlige det punkt, hvorefter en kvantecomputer kan overgå en klassisk computer på en bestemt opgave eller løse et problem, der er uden for rækkevidden af klassiske computere.
En opgave, der kunne bruges til at demonstrere en kvantefordel, kendt som kvante tilfældig prøveudtagning, indebærer generering af prøver fra en sandsynlighedsfordeling. Denne opgave er meget vanskelig for klassiske computere at udføre, men den kan teoretisk afsluttes af kvantecomputere.
Mens tidligere undersøgelser med succes har tackle tilfældige prøveudtagningsopgaver ved hjælp af kvantecomputere, har det faktisk vist sig at verificere, at et system effektivt udfører disse opgaver. Dette skyldes, at mange eksisterende verifikationsteknikker baseret på klassiske data enten er for beregningsmæssigt krævende eller vanskelige at anvende til større kvantesystemer.
Forskere ved Universität Innsbruck, Freie Universität Berlin og andre institutter har introduceret en ny protokol til at verificere kvante tilfældig prøveudtagning, der trækker fra den målebaserede model for kvanteberegning (MBQC). Denne protokol, skitseret i et papir, der er offentliggjort i Naturkommunikationblev med succes demonstreret på en fanget ion kvanteprocessor.
“Oprindeligt blev vi inspireret af spørgsmål om, hvilke beregningsopgaver der kunne løses på en kvantecomputer, der ikke kunne løses på en klassisk computer effektivt,” fortalte Jens Eisert, medforfatter til papiret, til LektieForum.
“På det tidspunkt kom de første ideer om, hvad der nu kaldes ‘kvantefordele’, og henviste til problemer, som der er stærke bevis for, at en kvantecomputer kunne overgå klassiske supercomputere.”
Tilfældige prøveudtagningsproblemer, de opgaver, som forskerne fokuserede på i deres papir, indebærer at tage rå data fra et kvanteeksperiment og forsøge at klassisk prøve det fra en distribution tæt på den rigtige kvantefordeling. Den vellykkede implementering af disse ordninger kan hjælpe med at generere output, der ville være meget vanskelige at forudsige ved hjælp af klassiske computere.
“Overraskende som dette kan lyde, er dette noget kvantecomputere er gode til,” forklarede Eisert, “vi startede fra arbejde i gruppen, der havde til formål at finde den enklest mulige sådan recept. Dette udgjorde at forberede en simpel produkttilstand, der er arrangeret i En matrix, der udfører et lag kvantekredsløb og udfører lokale enkle målinger. “
Mens de udførte deres tidligere forskning, blev forskerne overrasket over at opdage, at et sæt enkle ordninger kunne give anledning til prøveudtagningsproblemer. De besluttede derefter at forsøge at anvende disse ordninger i en eksperimentel indstilling ved hjælp af en fanget ion-kvanteprocessor.
“Vi tænkte med os selv, ‘Hej, hvis en sådan simpel indstilling kan give anledning til en kvantefordel, så kan vi omdanne dette til en eksperimentelt gennemførlig indstilling, der fungerer for en fanget ion-indstillinger, og som genanvender ionerne?'” Sagde Eisert. . “Vi var fascinerede.”
Da de begyndte at gennemføre deres eksperimenter, indså teamet snart, at den tilfældige prøveudtagningsordning, de identificerede, var effektivt verificerbare. I betragtning af dets lavere beregningskrav sammenlignet med tidligere tilgange til verificering af kvante tilfældig prøveudtagning, kan det også være lettere at anvende til større kvantecomputere.
“En vigtig udfordring for tilfældige prøveudtagningsordninger er, at man ikke effektivt kan verificere deres korrekthed baseret på klassiske data alene,” forklarede Eisert.
“Men hvis man har en vis tillid til kvantemålingsapparatet, kan man gøre dette. Vi verificerer effektivt rigtigheden af ordningen, selvom den klassiske prøveudtagning fra en tæt på kvantefordelingen er hård og ville ikke være mulig for et større skema af samme type. “
Denne undersøgelse kunne bidrage til studiet af klassiske og kvantecomputere, hvilket hjælper forskere med at forstå grænserne for klassiske systemer, og hvor en algoritmisk kvantefordel går ind. Denne viden kan igen hjælpe med at opbygge stadig større og bedre presterende kvantecomputere.
For at demonstrere deres protokol anvendte forskerne den på en kvanteprocessor bestående af fangede enkeltioner, der kan manipuleres nøjagtigt i deres kvantetilstand. Inden for denne processor forberedte de en såkaldt klyngetilstand, som er en stat, der vides at spille en nøglerolle i målebaseret kvanteberegning.
“Eksperimentprøverne fra måleeresultater opnået fra måling af en 4×4 -klyngetilstand, der involverede 16 qubits, hvor nogle af qubits kunne genanvendes,” sagde Thomas Monz og Martin Ringbauer, holdet leder af det eksperimentelle team i Innsbruck.
“Det søde aspekt er, at vi kunne verificere rigtigheden af statens forberedelse og prøveudtagning ved at estimere statens troskab og har sammenlignet dette med mere konventionelle tilgange, såsom kryds-entropi benchmarking.”
Ved hjælp af deres protokol var forskerne i stand til pålideligt at estimere troværdigheden af klyngetilstanden i deres kvanteprocessor. De fandt især, at prøverne produceret af processoren var meget tæt på dem, de havde forudsagt.
“Vi tror, at vores arbejde har forskellige centrale bidrag, hvoraf den første er en teknologisk,” sagde Eisert, “den fangede ionplatform, der gør brug af enkeltfangede ioner mere end én gang udgør en fremgang.
“Derudover er dens konceptuelle fremskridt, at det giver en forståelse af, at rigtigheden af prøveudtagningseksperimenter er effektivt muligt, selvom man ikke effektivt klassisk kan prøve fra næsten den rigtige distribution. Dette er spændende, da man kan sige, at nogle eksperiment er blevet korrekt udført selv Hvis man ikke kan forudsige det. “
Med mange forskerteam over hele verden, der arbejder for at forbedre ydelsen af kvantecomputere, håber Eisert og hans kolleger, at deres indsats vil hjælpe med at forstå, hvor deres kvantefordel sætter (dvs. på hvilke opgaver de kunne udføre bedre end klassiske computere).
I fremtiden kunne ordningen, de udtænkte, bruges af andre teams til at teste ydelsen af deres kvanteberegningssystemer på tilfældige prøveudtagningsopgaver.
“Vi ser dette som et vigtigt skridt hen imod at udtænke mere sofistikerede kvantecomputerplatforme,” tilføjede Eisert.
“I disse dage er der for eksempel betydelige skridt taget mod at gøre kvanteordninger mere modstandsdygtige over for fejl. Vi ser disse bestræbelser som bidrag til den større forskningsordning for at bygge kvantecomputere. Der er også en meta-efterspørgsel, der kommer ud af dette: teknologisk Fremskridt sikres kun, hvis teoretiske og eksperimentelle overvejelser mødes. “