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2020-05-28 13:54:37 來(lai)源(yuan)︰

邁向(xiang)實用量子計算的(de)一步,來(lai)自MIT,Google和其他地(di)方(fang)的(de)研究人(ren)員設計了一種系統,可以驗證量子芯片(pian)何wen)蹦芄蛔既分蔥寫(xie) 臣撲慊薹ㄖ蔥械de)復雜計算。

量子芯片(pian)使用稱為“量子位”的(de)量子位執行計算,量子位可以表示對(dui)應于(yu)經典二進(jin)制(zhi)位的(de)兩(liang)個狀態(tai)(0或1)或兩(liang)個狀態(tai)的(de)“量子疊加”。獨特的(de)疊加狀態(tai)可以使量子計算機解決(jue)經典計算機幾乎無法解決(jue)的(de)問(wen)題(ti),從而可能在材料設計,藥物發現和機器學習等方(fang)面取得突破。

完整的(de)量子計算機將需要數百萬個量子位,但這(zhe)還不可行。在過去的(de)幾年中,研究人(ren)員已開始開發包含(han)大約50至100量子位的(de)“噪聲中級量子”(NISQ)芯片(pian)。這(zhe)足以證明“量子優勢”,這(zhe)意味著NISQ芯片(pian)可以解決(jue)某些傳統計算機難以yuan) 淼de)算法。但是,驗證芯片(pian)是否按預期(qi)執行操作(zuo)會非常低效(xiao)。芯片(pian)的(de)輸出看起來(lai)可能完全是隨機的(de),因此(ci)需要很(hen)長時(shi)間來(lai)模擬步驟(zhou)以確fan)ㄒ磺惺欠癜醇隻 jin)行。

在《自然物理學》上發表的(de)一篇論文中,研究人(ren)員描述了一種新穎的(de)協議(yi),可以有效(xiao)地(di)驗證NISQ芯片(pian)已經執行了所有正確fan)de)量子操作(zuo)。他們在定制(zhi)量子光(guang)子芯片(pian)上運(yun)行的(de)一個非常困(kun)難的(de)量子問(wen)題(ti)上驗證了其協議(yi)。

“隨著工(gong)業和學術界(jie)的(de)飛速(su)發展,我們已經超(chao)越了能超(chao)越傳統機器的(de)量子機器的(de)風口(kou)浪尖,量子驗證的(de)任務變得至關重(zhong)要,”電子工(gong)程(cheng)和計算機科學系的(de)博(bo)士後第一作(zuo)者雅克·卡(ka)洛蘭(Jacques Carolan)說。 EECS)和電子研究實驗室(RLE)。“我們的(de)技術為驗證多(duo)種量子系統cheng) ├酥zhong)要工(gong)具。因為如果(guo)我投資數十(shi)億(yi)美元來(lai)制(zhi)造(zao)量子芯片(pian),那qiang)ken)定會做(zuo)一些有趣(qu)的(de)事情(qing)。”

麻省理工(gong)學院的(de)EECS和RLE的(de)研究人(ren)員以及Google Quantum AI實驗室,Elenion Technologies,Lightmatter和Zapata Computing的(de)研究人(ren)員也(ye)與Carolan一同加入(ru)了論文。

分而治(zhi)之

研究人(ren)員的(de)工(gong)作(zuo)實質(zhi)上是將量子電路生成(cheng)的(de)輸出量子狀態(tai)追(zhui)溯到jie)閻 de)輸入(ru)狀態(tai)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)可以揭(jie)示對(dui)輸入(ru)執行了哪些電路操作(zuo)以產生輸出。這(zhe)些操作(zuo)應始終與研究人(ren)員編寫(xie)的(de)程(cheng)序(xu)匹配。如果(guo)不是這(zhe)樣(yang),研究人(ren)員可以使用這(zhe)些信息(xi)來(lai)確fan)ㄐ酒pian)上哪里(li)出了問(wen)題(ti)。

卡(ka)羅蘭說,新協議(yi)的(de)核(he)心是“可變量子解采樣(yang)”,它是一種“分而治(zhi)之”的(de)方(fang)法,它將輸出量子狀態(tai)分解為多(duo)個塊(kuai)。“我們不需要一次很(hen)長時(shi)間地(di)完成(cheng)全部操作(zuo),而是逐(zhu)層進(jin)行這(zhe)項無擾的(de)工(gong)作(zuo)。這(zhe)使我們能夠分解問(wen)題(ti),以更有效(xiao)的(de)方(fang)式解決(jue)它。” Carolan說。

為此(ci),研究人(ren)員從神經網絡中汲取了靈感-神經網絡通過多(duo)層計算解決(jue)了問(wen)題(ti)-建立了一個新穎的(de)“量子神經網絡”(QNN),其中每個層代表一組量子運(yun)算。

為了運(yun)行QNN,他們使用傳統的(de) (gui)制(zhi)造(zao)技術來(lai)構(gou)建一個2 x 5毫米NISQ芯片(pian),該芯片(pian)具有170多(duo)個控制(zhi)參wen) zhe)些可調(diao)電路組件(jian)使操縱光(guang)子路徑更加容易。成(cheng)對(dui)的(de)光(guang)子從外部組件(jian)以特定的(de)波長生成(cheng),並(bing)注入(ru)到芯片(pian)中。光(guang)子穿(chuan)過芯片(pian)的(de)移相器(它們會改變光(guang)子的(de)路徑)相互干擾。這(zhe)將產生一個隨機的(de)量子輸出狀態(tai)-表示在計算過程(cheng)中xin) ?de)情(qing)況。輸出由一組外部光(guang)電探測器傳感器測量。

該輸出將發送到QNN。第一層使用復雜的(de)優化技術來(lai)挖(wa)掘嘈xing)擁de)輸出,以查明所有加在一起的(de)單個光(guang)子的(de)簽名。然後,它“解擾”該組中的(de)單個光(guang)子,以識(shi)別哪些電路操作(zuo)將其返(fan)回到其已知的(de)輸入(ru)狀態(tai)。這(zhe)些操作(zuo)應與任務的(de)電路特定設計完全匹配。所有後續層都(du)進(jin)行相同的(de)計算-從方(fang)程(cheng)式中刪除以前未加密的(de)光(guang)子-直到所有光(guang)子都(du)未加密。

例如,假設輸入(ru)到處(chu)理器的(de)量子位的(de)輸入(ru)狀態(tai)全為零。NISQ芯片(pian)對(dui)量子位執行一堆操作(zuo),以生成(cheng)大量的(de),看ci)撲婊浠 de)數字作(zuo)為輸出。(輸出數量將一直處(chu)于(yu)量子疊加狀態(tai),因此(ci)會不斷變化。)QNN選擇該大量數量的(de)塊(kuai)。然後,它逐(zhu)層確fan) 男┌僮zuo)將每個量子位還原回其輸入(ru)狀態(tai)零。如果(guo)有任何操作(zuo)與原始計劃的(de)操作(zuo)不同,則說明出現了問(wen)題(ti)。研究人(ren)員可以檢查預期(qi)輸出與輸入(ru)狀態(tai)之間的(de)不匹配情(qing)況,並(bing)使用該信息(xi)來(lai)調(diao)整電路設計。

玻色子“未采樣(yang)”

在實驗中,研究小組成(cheng)功運(yun)行了一項流(liu)行的(de)計算任務,該任務用于(yu)證明量子優勢,稱為“玻色子采樣(yang)”,通常在光(guang)子芯片(pian)上執行。在本練習中,移相器和其他光(guang)學組件(jian)將操縱一組輸入(ru)光(guang)子並(bing)將其轉換為輸出光(guang)子的(de)不同量子疊加。最終,任務是計算某個輸入(ru)狀態(tai)與某個輸出狀態(tai)匹配的(de)概率(lv)。從本質(zhi)上講,這(zhe)將是一些概率(lv)分布的(de)樣(yang)本。

但是由于(yu)光(guang)子的(de)不可預測的(de)行為,經典計算機幾乎不可能計算這(zhe)些樣(yang)本。從理論上講,NISQ芯片(pian)可以相當快地(di)計算它們。但是,由于(yu)NISQ操作(zuo)和任務本身的(de)復雜性(xing),到目前為止,還沒(mei)有方(fang)法可以快速(su),輕(qing)松地(di)進(jin)行驗證。

卡(ka)洛蘭說︰“賦(fu)予這(zhe)些芯片(pian)量子計算能力的(de)相同特性(xing)幾乎使它們無法驗證。”

在實驗中,研究人(ren)員能夠在其自定義(yi)NISQ芯片(pian)上“解采樣(yang)”遇(yu)到玻色子采樣(yang)問(wen)題(ti)的(de)兩(liang)個光(guang)子-而且只需一小段wen)奔浼純剎捎麼 車de)驗證方(fang)法。

“這(zhe)是一篇出色的(de)論文,它使用非線性(xing)量子神經網絡來(lai)學習黑匣子執行的(de)未知unit運(yun)算,”約克大學專門研究量子技術的(de)計算機科學教授Stefano Pirandola說。“很(hen)明顯,該方(fang)案對(dui)于(yu)驗證由量子電路(例如,由NISQ處(chu)理器執行)的(de)實際門可能非常有用。從這(zhe)個角度來(lai)看,該方(fang)案是未來(lai)量子工(gong)程(cheng)師的(de)重(zhong)要基準測試工(gong)具。這(zhe)個想(xiang)法明顯地(di)在光(guang)子量子芯片(pian)上實現了。”

卡(ka)羅蘭說,盡管該方(fang)法是為量子驗證目的(de)而設計的(de),但它也(ye)可以幫助捕(bu)獲有用的(de)物理性(xing)質(zhi)。例如,某些分子在激發時(shi)會振動,然後基于(yu)這(zhe)些振動發出光(guang)子。通過將這(zhe)些光(guang)子注入(ru)光(guang)子芯片(pian),Carolan說,解擾技術可用于(yu)發現有關那些分子的(de)量子動力學的(de)信息(xi),以幫助進(jin)行生物工(gong)程(cheng)分子設計。它也(ye)可以用來(lai)解擾攜帶(dai)量子信息(xi)的(de)光(guang)子,這(zhe)些量子信息(xi)通過湍(tuan)流(liu)空間或材料而積累了噪聲。

卡(ka)羅蘭說︰“夢想(xiang)是將其應用于(yu)物理世界(jie)中有趣(qu)的(de)問(wen)題(ti)。”


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