Hybrydowe komputery kwantowe łączące kubity z oscylatorami mogą znacznie ograniczyć liczbę operacji potrzebnych do symulowania oddziaływań materii i światła. Nowa propozycja teoretyczna wskazuje, że w wybranych zadaniach pozwoliłoby to zmniejszyć nakład obliczeniowy nawet tysiąckrotnie. Takie podejście mogłoby przybliżyć użyteczne symulacje bez czekania na wielkie maszyny z rozbudowaną korekcją błędów.
Zachowanie elektronów, światła i drgań wewnątrz materiałów decyduje o przebiegu reakcji chemicznych oraz właściwościach substancji. Dokładne odtworzenie ich wzajemnych oddziaływań bywa jednak niezwykle trudne. Problem dotyczy również komputerów kwantowych, które mają przecież pomagać w badaniu właśnie takich zjawisk.
Zespół z udziałem Eleanor Crane, związanej z King’s College London, opracował sposób lepszego dopasowania sprzętu do symulowanej fizyki. W pracy opublikowanej w „Physical Review X” badacze opisali architekturę wykorzystującą zarówno kubity, jak i oscylatory bozonowe. Przewaga ma wynikać przede wszystkim z oszczędniejszego zapisu informacji i krótszych sekwencji operacji.
Dlaczego fermiony i bozony wymagają różnych sposobów opisu?
Elektrony należą do fermionów. Fermionami są również protony, choć w odróżnieniu od elektronów stanowią cząstki złożone. Bozonami są natomiast między innymi fotony, czyli kwanty światła.
Obie rodziny podlegają innym regułom. W tym samym stanie kwantowym może znajdować się wiele identycznych bozonów. Opis pojedynczego trybu pola może więc wymagać uwzględnienia dużej liczby możliwych obsadzeń — od braku wzbudzeń po wiele znajdujących się w nim kwantów.
Komputer oparty wyłącznie na kubitach musi zakodować te możliwości za pomocą dodatkowych kubitów i odpowiednio długich sekwencji bramek. Im bardziej rozbudowana symulacja, tym większe wymagania sprzętowe i więcej okazji do powstawania błędów.
Nie oznacza to, że kubity nie potrafią reprezentować bozonów. Chodzi o koszt takiego odwzorowania, który w niektórych zadaniach staje się poważną przeszkodą.
Jak mają działać hybrydowe komputery kwantowe?
Proponowany układ łączy dwa rodzaje elementów kwantowych. Kubity współpracują w nim z oscylatorami, które naturalnie udostępniają wiele poziomów wzbudzenia.
W rozważanej przez autorów platformie nadprzewodzącej rolę oscylatorów pełnią mikrofalowe rezonatory wnękowe. Można je wyobrazić sobie jako niewielkie komory utrzymujące oscylujące pole elektromagnetyczne.
Takie elementy są już wykorzystywane w sprzęcie kwantowym. Badacze proponują jednak szersze użycie ich jako zasobów obliczeniowych, przechowujących informacje o symulowanych bozonach.
Zamiast przekładać cały problem na zapis kubitowy, część jego struktury można odwzorować bezpośrednio w oscylatorach. Opracowane ramy opisują, jak programować wspólne operacje obu elementów i wykorzystywać je do symulacji oddziałujących układów.
Skąd ma się wziąć tysiąckrotna oszczędność?
Największy zysk wynika z ograniczenia liczby operacji potrzebnych do odtworzenia określonych oddziaływań. Długą sekwencję bramek kubitowych można w odpowiednio dobranych przypadkach zastąpić znacznie krótszą sekwencją operacji hybrydowych.
W popularnym podsumowaniu pracy autorzy wskazują na możliwość tysiąckrotnego zmniejszenia nakładu obliczeniowego. Tego wyniku nie należy jednak rozumieć jako zapowiedzi tysiąckrotnego przyspieszenia dowolnego programu. Przewaga zależy od symulowanego modelu, sposobu jego zakodowania i porównywanego algorytmu.
Krótszy obwód oznacza również mniej miejsc, w których niedoskonałość sprzętu może wpłynąć na wynik. Dlatego oszczędność operacji przekłada się nie tylko na wymagane zasoby, lecz także na szansę uzyskania użytecznego rezultatu.
Co oznacza porównanie dokładności 99,9% i 99,9999%?
Jednym z najważniejszych punktów pracy jest porównanie wierności operacji, czyli tego, jak dobrze rzeczywista bramka odtwarza działanie idealne.
Według obliczeń autorów sprzęt kubitowo-bozonowy z wiernością 99,9% na bramkę mógłby w analizowanym porównaniu osiągnąć taką wierność całego obwodu, do jakiej rozwiązanie wyłącznie kubitowe potrzebowałoby co najmniej 99,9999% na bramkę.
Pozornie niewielka różnica w liczbie dziewiątek ma duże znaczenie. Odchylenie od idealnej wierności wynosi odpowiednio 0,1% i 0,0001%, a więc różni się tysiąckrotnie.
To pokazuje, dlaczego sama dokładność pojedynczej operacji nie wystarcza do oceny całego komputera. Ważne jest również, ile takich operacji potrzeba do wykonania zadania. Nawet bardzo dobre bramki mogą dać słaby wynik, gdy niedoskonałości kumulują się w długim obwodzie.
Uproszczone modele pozwalają sprawdzić trudną fizykę
Aby ocenić proponowane podejście, naukowcy analizowali między innymi symulację rozdzielacza wiązki, który rozdziela lub łączy światło. Rozpatrywali również modele teorii z cechowaniem, opisujących oddziaływania materii z polami.
W pracy pojawiają się układy oznaczane jako „2+1”. Oznacza to dwa wymiary przestrzenne oraz czas. Takie modele są uproszczeniem względem pełnego opisu trzech wymiarów przestrzeni, ale nadal mogą zawierać bardzo trudną do obliczenia fizykę.
Dwa wymiary mają też znaczenie dla badań materiałowych. Grafen jest strukturą praktycznie dwuwymiarową, a zachowanie elektronów w układach o ograniczonej liczbie wymiarów pomaga badać właściwości materiałów, w tym zjawiska związane z nadprzewodnictwem.
Nadprzewodniki, chemia i oddziaływania światła z materią
Hybrydowe komputery kwantowe mogłyby znaleźć zastosowanie tam, gdzie ważne są jednocześnie fermiony i bozony.
Przykładem są elektrony oddziałujące z fononami, czyli kwantami drgań sieci krystalicznej. Zrozumienie takich procesów jest istotne dla badań nad nadprzewodnikami, również wysokotemperaturowymi.
Podobne wyzwania pojawiają się przy analizowaniu transportu energii świetlnej w procesach biologicznych, reakcji chemicznych oraz oddziaływań cząsteczek. Dokładniejsze symulacje mogłyby z czasem wspierać projektowanie materiałów, technologii energetycznych i leków.
Są to jednak kierunki zastosowań. Przedstawiona praca nie oznacza, że nowa architektura już rozwiązała te problemy.
Czy potrzebny sprzęt jest już w zasięgu?
Atutem propozycji jest wykorzystanie elementów, które są już znane konstruktorom urządzeń kwantowych. Wdrożenie wymaga jednak odpowiednio precyzyjnego sterowania ich współpracą.
Anthony Ciavarella z Lawrence Berkeley National Laboratory wskazuje w komentarzu do pracy, że wymagania sprzętowe są stosunkowo skromne, a potrzebne wierności bramek zbliżają się do możliwości istniejących urządzeń. To konkretny cel dla dalszych eksperymentów.
Autorzy opisują również częściowe wykrywanie błędów bez dodatkowych kubitów pomocniczych. Nie zastępuje to pełnej korekcji błędów we wszystkich zastosowaniach, ale może ograniczyć wymagane zasoby.
Najważniejsza obietnica tej propozycji dotyczy więc lepszego wykorzystania dostępnego sprzętu. Jeśli przewidywania znajdą potwierdzenie w eksperymentach, część wymagających symulacji może stać się osiągalna wcześniej, niż zakładałaby strategia oparta wyłącznie na zwiększaniu liczby kubitów.
Badania opublikowano w czasopiśmie Physical Review X.