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2020-04-03 08:19:37 來源︰

邁向實(shi)用量子計算(suan)的一步,來自(zi)MIT,Google和(he)其(qi)他地方的研究人員(yuan)設(she)計了一種(zhong)系統,可以驗(yan)證量子芯片何時能(neng)夠準確fen)蔥xing)傳統計算(suan)機無法執行(xing)的復雜計算(suan)。

量子芯片使用稱(chen)為“量子位”的量子位執行(xing)計算(suan),量子位可以yuan)硎徑雜τ誥 dian)二進制位的兩個狀態(0或1)或兩個狀態的“量子疊加”。獨(du)特的疊加狀態可以使量子計算(suan)機解決經典(dian)計算(suan)機幾乎無法解決的問題(ti),從而可能(neng)在材料設(she)計,藥物發現和(he)機器學習等方面(mian)取得突破。

完(wan)整的量子計算(suan)機將需要數百(bai)萬(wan)個量子位,但這還不可行(xing)。在過去的幾年中(zhong),研究人員(yuan)已開始開發包(bao)含大約50至(zhi)100量子位的“噪聲中(zhong)級(ji)量子”(NISQ)芯片。這足以證明“量子優(you)勢”,這意味著NISQ芯片可以解決某些傳統計算(suan)機難以處理的算(suan)法。但是(shi),驗(yan)證芯片是(shi)否按預期執行(xing)操作會非常低效。芯片的輸出(chu)看起來可能(neng)完(wan)全是(shi)隨機的,因此需要很長時間(jian)來模擬(ni)步驟以確定(ding)一切是(shi)否按計劃進行(xing)。

在《自(zi)然物理學》上發表的一篇論文中(zhong),研究人員(yuan)描(miao)述了一種(zhong)新(xin)穎的協議,可以有xing)?匱yan)證NISQ芯片已經執行(xing)了所有正(zheng)確fan)牧孔硬僮鰲Kmen)在定(ding)制量子光子芯片上運行(xing)的一個非常困難的量子問題(ti)上驗(yan)證了其(qi)協議。

“隨著工業和(he)學術界的飛速發展,我們(men)qie)丫  攪四neng)超越傳統機器的量子機器的風口(kou)浪尖,量子驗(yan)證的任(ren)務變得至(zhi)關(guan)重要,”電子工程和(he)計算(suan)機科學系的博士後(hou)第(di)一作者雅克(ke)·卡洛蘭(Jacques Carolan)說。 EECS)和(he)電子研究實(shi)驗(yan)室(RLE)。“我們(men)的技術為驗(yan)證多種(zhong)量子系統提供(gong)了重要工具。因為如果(guo)我投資(zi)數十億美(mei)元來制造(zao)量子芯片,那肯定(ding)會做(zuo)一些有趣的事情(qing)。”

麻省(sheng)理工學院(yuan)的EECS和(he)RLE的研究人員(yuan)以及(ji)Google Quantum AI實(shi)驗(yan)室,Elenion Technologies,Lightmatter和(he)Zapata Computing的研究人員(yuan)也與Carolan一同加入了論文。

分(fen)而治(zhi)之

研究人員(yuan)的工作實(shi)質上是(shi)將量子電路生成的輸出(chu)量子狀態追溯到已知的輸入狀態。這樣(yang)做(zuo)可以揭示對輸入執行(xing)了哪(na)些電路操作以產生輸出(chu)。這些操作應始終與研究人員(yuan)編寫的程序匹配(pei)。如果(guo)不是(shi)這樣(yang),研究人員(yuan)可以使用這些信息(xi)來確定(ding)芯片上哪(na)里出(chu)了問題(ti)。

卡羅蘭說,新(xin)協議的核心是(shi)“可變量子解采樣(yang)”,它是(shi)qie)恢zhong)“分(fen)而治(zhi)之”的方法,它將輸出(chu)量子狀態分(fen)解為多個塊。“我們(men)不需要一次很長時間(jian)地完(wan)成全部操作,而是(shi)逐層進行(xing)這項無擾的工作。這使我們(men)能(neng)夠分(fen)解問題(ti),以更有xing)?姆絞澆餼鏊rdquo; Carolan說。

為此,研究人員(yuan)從神經網絡中(zhong)汲(ji)取了靈感-神經網絡通過多層計算(suan)解決了問題(ti)-建立了一個新(xin)穎的“量子神經網絡”(QNN),其(qi)中(zhong)每個層代表一組量子運算(suan)。

為了運行(xing)QNN,他們(men)使用傳統的 制造(zao)技術來構建一個2 x 5毫(hao)米NISQ芯片,該(gai)芯片具有170多個控制參數,這些可調電路組件使操縱光子路徑更加容易。成對的光子從外部組件以特定(ding)的波長生成,並注入到芯片中(zhong)。光子穿過芯片的移相(xiang)器(它們(men)會改變光子的路徑)相(xiang)互干(gan)擾。這將產生一個隨機的量子輸出(chu)狀態-表示在計算(suan)過程中(zhong)將發生的情(qing)況。輸出(chu)由一組外部光電探測器傳感器測量。

該(gai)輸出(chu)將發送到QNN。第(di)一層使用復雜的優(you)化技術來挖掘嘈雜的輸出(chu),以查(cha)明所有加在一起的單(dan)個光子的簽名(ming)。然後(hou),它“解擾”該(gai)組中(zhong)的單(dan)個光子,以識別(bie)哪(na)些電路操作將其(qi)返(fan)回到其(qi)已知的輸入狀態。這些操作應與任(ren)務的電路特定(ding)設(she)計完(wan)全匹配(pei)。所有後(hou)續層都(du)進行(xing)相(xiang)同的計算(suan)-從方程式中(zhong)刪(shan)除以前未(wei)加密的光子-直到所有光子都(du)未(wei)加密。

例如,假設(she)輸入到處理器的量子位的輸入狀態全為零(ling)。NISQ芯片對量子位執行(xing)一堆(dui)操作,以生成大量的,看似隨機變化的數字作為輸出(chu)。(輸出(chu)數量將一直處于量子疊加狀態,因此會不斷(duan)變化。)QNN選擇(ze)該(gai)大量數量的塊。然後(hou),它逐層確定(ding)哪(na)些操作將每個量子位huan)乖 仄qi)輸入狀態零(ling)。如果(guo)有任(ren)何操作與原始計劃的操作不同,則說明出(chu)現zhi)宋侍ti)。研究人員(yuan)可以檢查(cha)預期輸出(chu)與輸入狀態之間(jian)的不匹配(pei)情(qing)況,並使用該(gai)信息(xi)來調整電路設(she)計。

玻色子“未(wei)采樣(yang)”

在實(shi)驗(yan)中(zhong),研究小組成功運行(xing)了一項流行(xing)的計算(suan)任(ren)務,該(gai)任(ren)務用于證明量子優(you)勢,稱(chen)為“玻色子采樣(yang)”,通常在光子芯片上執行(xing)。在本練習中(zhong),移相(xiang)器和(he)其(qi)他光學組件將操縱一組輸入光子並將其(qi)轉換(huan)為輸出(chu)光子的不同量子疊加。最(zui)終,任(ren)務是(shi)計算(suan)某個輸入狀態與某個輸出(chu)狀態匹配(pei)的概率sheng)4穎局噬轄玻 飩 shi)qie)恍└怕史fen)布的樣(yang)本。

但是(shi)由于光子的不可預測的行(xing)為,經典(dian)計算(suan)機幾乎不可能(neng)計算(suan)這些樣(yang)本。從理論上講,NISQ芯片可以相(xiang)當快地計算(suan)它們(men)。但是(shi),由于NISQ操作和(he)任(ren)務本身的復雜性,到目前為止,還沒有方法可以快速,輕松(song)地進行(xing)驗(yan)證。

卡洛蘭說︰“賦予這些芯片量子計算(suan)能(neng)力的相(xiang)同特性幾乎使它們(men)無法驗(yan)證。”

在實(shi)驗(yan)中(zhong),研究人員(yuan)能(neng)夠在其(qi)自(zi)定(ding)義NISQ芯片上“解采樣(yang)”遇(yu)到玻色子采樣(yang)問題(ti)的兩個光子-而且(qie)只需一小段時間(jian)即可采用傳統的驗(yan)證方法。

“這是(shi)qie)黃 chu)色的論文,它使用非線(xian)性量子神經網絡來學習黑(hei)匣子執行(xing)的未(wei)知unit運算(suan),”約克(ke)大學專門研究量子技術的計算(suan)機科學教(jiao)授Stefano Pirandola說。“很明顯,該(gai)方案對于驗(yan)證由量子電路(例如,由NISQ處理器執行(xing))的實(shi)際門可能(neng)非常有用。從這個角(jiao)度來看,該(gai)方案是(shi)未(wei)來量子工程師(shi)的重要基準測試工具。這個想法明顯地在光子量子芯片上實(shi)現zhi)恕rdquo;

卡羅蘭說,盡管(guan)該(gai)方法是(shi)為量子驗(yan)證目的而設(she)計的,但它也可以幫(bang)助捕獲有用的物理性質sheng)@紓 承┐fen)子在激(ji)發時會振動,然後(hou)基于這些振動發出(chu)光子。通過將這些光子注入光子芯片,Carolan說,解擾技術可用于發現有關(guan)那些分(fen)子的量子動力學的信息(xi),以幫(bang)助進行(xing)生物工程分(fen)子設(she)計。它也可以用mei)唇餿判 孔有畔xi)的光子,這些量子信息(xi)通過湍流空間(jian)或材料而積累了噪聲。

卡羅蘭說︰“夢想是(shi)將其(qi)應用于物理世界中(zhong)有趣的問題(ti)。”


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