Quantum -algoritme distribueret på tværs af flere processorer for første gang – belægning af vejen til kvante supercomputere

I en milepæl, der bringer kvanteberegning, der er håndbart tættere på praktisk brug i stor skala, har forskere ved Oxford University Physics vist den første forekomst af distribueret kvanteberegning.

Ved hjælp af en fotonisk netværksgrænseflade forbandt de med succes to separate kvanteprocessorer til at danne en enkelt, fuldt tilsluttet kvantecomputer og banede vejen til at tackle beregningsmæssige udfordringer, der tidligere var uden for rækkevidde. Resultaterne blev offentliggjort den 5. februar i Natur.

Gennembrudet adresserer kvantens ‘skalerbarhedsproblem’: En kvantecomputer, der er kraftig nok til at være brancheforstyrrelser, skulle være i stand til at behandle millioner af qubits. Pakning af alle disse processorer på en enkelt enhed kræver imidlertid en maskine af enorm størrelse.

I denne nye tilgang er små kvanteenheder knyttet sammen, hvilket gør det muligt at distribuere beregninger på tværs af netværket. I teorien er der ingen grænse for antallet af processorer, der kan være i netværket.

Den skalerbare arkitektur er baseret på moduler, som hver kun indeholder et lille antal fangede ion-qubits (atomskala-bærere af kvanteinformation). Disse er forbundet sammen ved hjælp af optiske fibre og bruger lys (fotoner) snarere end elektriske signaler til at overføre data mellem dem.

Disse fotoniske forbindelser gør det muligt at indgå i separate moduler, der kan sammenfiltres, hvilket gør det muligt at udføre kvantelogik på tværs af modulerne ved hjælp af kvanteteleportering.

Selvom kvanteteleportering af tilstande tidligere er opnået, er denne undersøgelse den første demonstration af kvante teleportering af logiske porte (minimumskomponenterne i en algoritme) på tværs af et netværkslink. Ifølge forskerne kunne dette lægge grundlaget for et fremtidig “Quantum Internet”, hvor fjerne processorer kunne danne et ultra-sikkert netværk til kommunikation, beregning og sensing.

Undersøgelsesledende Dougal Main fra Oxford University Physics sagde: “Tidligere demonstrationer af kvante teleportering har fokuseret på at overføre kvantetilstande mellem fysisk adskilte systemer. I vores undersøgelse bruger vi kvante teleportering til at ‘skabe’ interaktioner mellem disse fjerne systemer.

“Ved omhyggeligt at skræddersy disse interaktioner kan vi udføre logiske kvanteporte-de grundlæggende operationer inden for kvanteberegning-mellem qubits, der er placeret i separate kvantecomputere. Dette gennembrud gør det muligt for os computer.”

Konceptet ligner, hvordan traditionelle supercomputere fungerer. Disse består af mindre computere, der er knyttet sammen for at opnå kapaciteter, der er større end for hver separat enhed.

Denne strategi omgår mange af de tekniske hindringer, der er forbundet med at pakke et stadig større antal qubits til en enkelt enhed, samtidig med at de delikate kvanteegenskaber er nødvendige for nøjagtige og robuste beregninger.

Quantum -algoritme distribueret på tværs af flere processorer for første gang - baner vejen til kvante supercomputere

Dougal Main tilføjede, “Ved at sammenkoble modulerne ved hjælp af fotoniske links får systemet værdifuld fleksibilitet, hvilket gør det muligt at opgradere moduler eller udskiftes uden at forstyrre hele arkitekturen.”

Forskerne demonstrerede effektiviteten af ​​metoden ved at udføre Grovers søgealgoritme. Denne kvantemetode søger efter en bestemt vare i et stort, ustruktureret datasæt meget hurtigere end en almindelig computer kan ved hjælp af kvantefænomenerne af superposition og sammenfiltring for at udforske mange muligheder parallelt.

Dens succesrige demonstration understreger, hvordan en distribueret tilgang kan udvide kvantefunktioner ud over grænserne for en enkelt enhed, hvilket sætter scenen for skalerbare, højtydende kvantecomputere, der er kraftige nok til at køre beregninger i timer, som dagens supercomputere ville tage mange år at løse.

Professor David Lucas, hovedundersøger for forskerteamet og lederforskeren for den britiske kvanteberegning og simuleringsnav, fra Oxford University Physics, sagde: “Vores eksperiment demonstrerer, at netværksdistribueret kvanteinformationsbehandling er mulig med den aktuelle teknologi. Opskalering af kvantecomputere forbliver en formidabel teknisk udfordring, der sandsynligvis kræver ny fysikindsigt såvel som intensiv teknisk indsats i de kommende år. “