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2020-04-02 11:17:37 來源(yuan)︰

邁向實用(yong)量子計(ji)算的(de)一步,來自MIT,Google和其他地方的(de)研xin)咳嗽鄙she)計(ji)了一種系統,可以驗(yan)證(zheng)量子芯(xin)片何時能(neng)夠準確執行(xing)傳統計(ji)算機無法執行(xing)的(de)復(fu)雜計(ji)算。

量子芯(xin)片使用(yong)稱為“量子位”的(de)量子位執行(xing)計(ji)算,量子位可以表(biao)示對應于經典(dian)二進制(zhi)位的(de)兩個狀態(tai)(0或(huo)1)或(huo)兩個狀態(tai)的(de)“量子疊(die)加”。獨(du)特(te)的(de)疊(die)加狀態(tai)可以使量子計(ji)算機解決經典(dian)計(ji)算機幾乎無法解決的(de)問題,從而可能(neng)在材料設(she)計(ji),藥(yao)物發現和機器學習等方面取得(de)突破。

完整的(de)量子計(ji)算機將需要數(shu)百萬個量子位,但這還(huai)不可行(xing)。在過(guo)去的(de)幾gai)曛校 芯(xin)咳嗽幣芽 伎   da)約50至(zhi)100量子位的(de)“噪聲中級(ji)量子”(NISQ)芯(xin)片。這足以證(zheng)明“量子優(you)勢(shi)”,這意味著NISQ芯(xin)片可以解決某(mou)些(xie)傳統計(ji)算機難以yuan) li)的(de)算法。但是,驗(yan)證(zheng)芯(xin)片是否按(an)預期執行(xing)操作會非常低效。芯(xin)片的(de)輸出(chu)看起來可能(neng)完全是隨機的(de),因此需要很長(chang)時間來模擬步驟以確定一切是否按(an)計(ji)劃(hua)進行(xing)。

在《自然物理(li)學》上發表(biao)的(de)一篇論文中,研xin)咳嗽泵枋shu)了一種新(xin)穎的(de)協(xie)議,可以有xing)?匱yan)證(zheng)NISQ芯(xin)片已經執行(xing)了所有正確fan)牧孔硬僮鰲K竊詼ㄖzhi)量子光子芯(xin)片上運行(xing)的(de)一個非常困難的(de)量子問題上驗(yan)證(zheng)了其協(xie)議。

“隨著工業和學術(shu)界的(de)飛速發展,我們已經超越了能(neng)超越傳統機器的(de)量子機器的(de)風(feng)口浪尖,量子驗(yan)證(zheng)的(de)任務(wu)變得(de)至(zhi)關重要,”電(dian)子工程和計(ji)算機科(ke)學系的(de)博士後第一作者(zhe)雅克·卡(ka)洛蘭(Jacques Carolan)說。 EECS)和電(dian)子研xin)渴笛yan)室(RLE)。“我們的(de)技術(shu)為驗(yan)證(zheng)多(duo)種zhi)孔酉低程 ├酥匾 ?摺R蛭 綣彝蹲適shu)十(shi)億(yi)美元來制(zhi)造量子芯(xin)片,那肯(ken)定會做一些(xie)有趣的(de)事情。”

麻(ma)省(sheng)理(li)工學院的(de)EECS和RLE的(de)研xin)咳嗽幣約oogle Quantum AI實驗(yan)室,Elenion Technologies,Lightmatter和Zapata Computing的(de)研xin)咳嗽幣燦arolan一同(tong)加入了論文。

分而治(zhi)之

研xin)咳嗽鋇de)工作實質上是將量子電(dian)路生成的(de)輸出(chu)量子狀態(tai)追溯到已知的(de)輸入狀態(tai)。這樣做可以揭示對輸入執行(xing)了哪些(xie)電(dian)路操作以產生輸出(chu)。這些(xie)操作應始終與研xin)咳嗽北bian)cao)吹de)mou)絛蚱?pei)。如果不是這樣,研xin)咳嗽笨梢允褂yong)這些(xie)信(xin)息來確定芯(xin)片上哪里出(chu)了問題。

卡(ka)羅蘭說,新(xin)協(xie)議的(de)核心(xin)是“可變量子解采樣”,它是一種“分而治(zhi)之”的(de)方法,它將輸出(chu)量子狀態(tai)分解為多(duo)個塊。“我們不需要一次很長(chang)時間地完成全部操作,而是逐層(ceng)進行(xing)這項無擾(rao)的(de)工作。這使我們能(neng)夠分解問題,以更有xing)?de)方式解決它。” Carolan說。

為此,研xin)咳嗽貝由窬 韁屑橙×肆楦神經網絡通過(guo)多(duo)層(ceng)計(ji)算解決了問題-建立了一個新(xin)穎的(de)“量子神經網絡”(QNN),其中每個層(ceng)代(dai)表(biao)一組量子運算。

為了運行(xing)QNN,他們使用(yong)傳統的(de) 制(zhi)造技術(shu)來構建一個2 x 5毫米NISQ芯(xin)片,該芯(xin)片具有170多(duo)個控制(zhi)參數(shu),這些(xie)可調電(dian)路組件使操縱光子路徑更加容易(yi)。成對的(de)光子從外部組件以特(te)定的(de)波長(chang)生成,並(bing)注入到芯(xin)片中。光子穿過(guo)芯(xin)片的(de)移相器(它們會改(gai)變光子的(de)路徑)相互干擾(rao)。這將產生一個隨機的(de)量子輸出(chu)狀態(tai)-表(biao)示在計(ji)算過(guo)程中將發生的(de)情況。輸出(chu)由一組外部光電(dian)探jiang)餛鞔 釁韃飭俊/p>

該輸出(chu)將發送到QNN。第一層(ceng)使用(yong)復(fu)雜的(de)優(you)化技術(shu)來挖掘(jue)嘈(cao)雜的(de)輸出(chu),以查明所有加在一起的(de)單個光子的(de)簽(qian)名。然後,它“解擾(rao)”該組中的(de)單個光子,以識別(bie)哪些(xie)電(dian)路操作將其返(fan)回到其已知的(de)輸入狀態(tai)。這些(xie)操作應與任務(wu)的(de)電(dian)路特(te)定設(she)計(ji)完全匹配(pei)。所有後續(xu)層(ceng)都進行(xing)相同(tong)的(de)計(ji)算-從方程式中刪除以前未加yong)艿de)光子-直(zhi)到所有光子都未加yong)塴/p>

例如,假設(she)輸入到處理(li)器的(de)量子位的(de)輸入狀態(tai)全為零。NISQ芯(xin)片對量子位執行(xing)一堆操作,以生成大(da)量kang)模 此撲婊浠 de)數(shu)字(zi)作為輸出(chu)。(輸出(chu)數(shu)量將一直(zhi)處于量子疊(die)加狀態(tai),因此會不斷變化。)QNN選擇(ze)該me)da)量數(shu)量kang)目欏H緩螅 鴆ceng)確定哪些(xie)操作將每個量子位huan)huai)原回其輸入狀態(tai)零。如果有任何操作與原始計(ji)劃(hua)的(de)操作不同(tong),則說de) chu)現zhi)宋侍狻Q芯(xin)咳嗽笨梢約觳樵?謔涑chu)與輸入狀態(tai)之間的(de)不匹配(pei)情況,並(bing)使用(yong)該信(xin)息來調整電(dian)路設(she)計(ji)。

玻色子“未采樣”

在實驗(yan)中,研xin)啃 槌曬υ誦xing)了一項流行(xing)的(de)計(ji)算任務(wu),該任務(wu)用(yong)于證(zheng)明量子優(you)勢(shi),稱為“玻色子采樣”,通常在光子芯(xin)片上執行(xing)。在本練習中,移相器和其他光學組件將操縱一組輸入光子並(bing)將其轉換(huan)為輸出(chu)光子的(de)不同(tong)量子疊(die)加。最(zui)終,任務(wu)是計(ji)算某(mou)個輸入狀態(tai)與某(mou)個輸出(chu)狀態(tai)匹配(pei)的(de)概(gai)率sheng)4穎局噬轄jiang),這將是一些(xie)概(gai)率分布(bu)的(de)樣本。

但是由于光子的(de)不可預測的(de)行(xing)為,經典(dian)計(ji)算機幾乎不可能(neng)計(ji)算這些(xie)樣本。從理(li)論上講(jiang),NISQ芯(xin)片可以相當快地計(ji)算它們。但是,由于NISQ操作和任務(wu)本身的(de)復(fu)雜性(xing),到目前為止,還(huai)沒(mei)有方法可以快速,輕松地進行(xing)驗(yan)證(zheng)。

卡(ka)洛蘭說︰“賦予這些(xie)芯(xin)片量子計(ji)算能(neng)力的(de)相同(tong)特(te)性(xing)幾乎使它們無法驗(yan)證(zheng)。”

在實驗(yan)中,研xin)咳嗽蹦neng)夠在其自定義(yi)NISQ芯(xin)片上“解采樣”遇到jiang)I 硬裳侍獾de)兩個光子-而且只需一小段時間即可采用(yong)傳統的(de)驗(yan)證(zheng)方法。

“這是一篇出(chu)色的(de)論文,它使用(yong)非線性(xing)量子神經網絡來學習黑匣子執行(xing)的(de)未知unit運算,”約克大(da)學專門研xin)苛孔蛹際shu)的(de)計(ji)算機科(ke)學教(jiao)授Stefano Pirandola說。“很明顯,該方案對于驗(yan)證(zheng)由量子電(dian)路(例如,由NISQ處理(li)器執行(xing))的(de)實際門可能(neng)非常有用(yong)。從這個角度(du)來看,該方案是未來量子工程師(shi)的(de)重要基(ji)準測試工具。這個想法明顯地在光子量子芯(xin)片上實現zhi)恕rdquo;

卡(ka)羅蘭說,盡管該方法是為量子驗(yan)證(zheng)目kang)畝she)計(ji)的(de),但它也可以幫助捕獲有用(yong)的(de)物理(li)性(xing)質sheng)@紓 mou)些(xie)分子在激發時會振動,然後基(ji)于這些(xie)振動發出(chu)光子。通過(guo)將這些(xie)光子注入光子芯(xin)片,Carolan說,解擾(rao)技術(shu)可用(yong)于發現有關那些(xie)分子的(de)量子動力學的(de)信(xin)息,以幫助進行(xing)生物工程分子設(she)計(ji)。它也可以用(yong)來解擾(rao)攜帶量子信(xin)息的(de)光子,這些(xie)量子信(xin)息通過(guo)湍流空間或(huo)材料而積累了噪聲。

卡(ka)羅蘭說︰“夢想是將其應用(yong)于物理(li)世界中有趣的(de)問題。”


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