Het door ORNL ondersteunde onderzoeksteam gebruikt kwantumcomputers om echte vooruitgang te boeken in de kwantumsimulatie

Insider-overzicht

• Met steun van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben onderzoekers een belangrijke kwantumtoestand op een van de grootste schaalniveaus gesimuleerd.
• Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van de Quantinuum H1-1-computer om een ​​kwantumversie te formuleren van een klassiek wiskundig model dat bijhoudt hoe ziekten zich verspreiden.
• De onderzoekers schatten dat 70 qubits de mogelijkheden van een klassieke computer zouden kunnen evenaren of zelfs overtreffen.
• verhaal: ORNL

Persbericht – Onderzoekers hebben de belangrijkste kwantumtoestand gesimuleerd op een van de grootste schaalniveaus ooit gerapporteerd, met steun van het Quantum Computing User Program, of QCUP, van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

De technieken die het team gebruikt kunnen de kwantumsimulatiemogelijkheden van de volgende generatie kwantumcomputers helpen verbeteren.

de studie gebruiker Hoeveelheid H1-1-computer om een ​​kwantumversie te ontwerpen van een klassiek wiskundig model dat bijhoudt hoe ziekten zich verspreiden. Tijd op de computer wordt bespaard door QCUP, een stukje software Oak Ridge Leadership Computing-faciliteitwat tijd geeft aan particuliere kwantumprocessors in het hele land om onderzoeksprojecten te ondersteunen.

Het model gebruikte quantumbits, of qubits, om de overgang tussen actieve toestanden, zoals infectie, en inactieve toestanden, zoals dood of herstel, te simuleren.

“Het doel van deze studie was om te werken aan het opbouwen van de mogelijkheden van een kwantumcomputer om deze en andere soortgelijke problemen op te lossen die moeilijk te berekenen zijn op klassieke computers”, zegt Andrew Potter, co-auteur van de studie en assistent-professor in de natuurkunde. . In de Universiteit van Brits-Columbia In Vancouver. “Dit experiment vertegenwoordigt een poging om een ​​kwantumsysteem naar een bepaalde staat te leiden, terwijl het concurreert met kwantumfluctuaties weg van die staat. Er is een overgangspunt waar deze concurrerende invloeden volledig in evenwicht zijn. Dit punt scheidt de fase waarin de begeleiding slaagt het stadium waarin het mislukt.”

Hoe verder een systeem van evenwicht verwijderd is, hoe waarschijnlijker het is dat klassieke versies van het model zullen instorten vanwege de omvang en complexiteit van de vergelijkingen. Het onderzoeksteam probeerde quantum computing te gebruiken om deze dynamiek te modelleren.

Klassieke computers slaan informatie op in bits gelijk aan 0 of 1. Met andere woorden: een klassiek bit, zoals een lichtschakelaar, bestaat in twee toestanden: aan of uit. Deze dubbele dynamiek leent zich niet noodzakelijkerwijs voor het modelleren van overgangstoestanden zoals die welke in het ziektemodel worden bestudeerd.

Kwantitatieve statistieken Het gebruikt de wetten van de kwantummechanica om informatie op te slaan in qubits, het kwantumequivalent van bits. Qubits kunnen in meer dan één toestand tegelijk bestaan ​​via kwantumsuperpositie, waardoor qubits meer informatie kunnen bevatten dan klassieke bits.

Bij kwantumsuperpositie kan een qubit tegelijkertijd in twee toestanden bestaan, vergelijkbaar met een draaiende munt: er zit geen kop of munt aan de munt, en er is geen enkele frequentie voor de qubit. Het meten van de waarde van een qubit bepaalt de waarschijnlijkheid dat een van de twee mogelijke waarden wordt gemeten, vergelijkbaar met het stoppen van een munt op kop of munt. Deze dynamiek maakt een breder scala aan mogelijke waarden mogelijk die kunnen worden gebruikt om complexe kwesties zoals overgangstoestanden te bestuderen.

Onderzoekers hopen dat deze mogelijkheden zullen leiden tot een kwantumrevolutie waarbij kwantumcomputers de klassieke machines zullen overtreffen in snelheid en kracht. Maar de qubits die door de huidige kwantummachines worden gebruikt, hebben de neiging gemakkelijk te degraderen. Dit verval leidt tot hoge foutenpercentages die de resultaten van elk model dat groter is dan het testprobleem kunnen vertekenen.

Potter en zijn collega's verkregen de tijd via QCUP op de Quantinuum-computer, die gebruik maakt van ionen die gevangen zitten in de vorm van qubits. Ze maten de circuits, of kwantumpoorten, gedurende de hele run en gebruikten een techniek die bekend staat als qubit-recycling om gedegradeerde qubits te verwijderen.

“We hebben een quantumprocessor gebruikt om een ​​systeem te simuleren waarin actieve qubits de mogelijkheid hebben om aangrenzende qubits te activeren of inactief te worden.” zei Potter. “Door het systeem bij elke stap in realtime te monitoren en gaandeweg te testen, kunnen we de mogelijkheid van quantumgate-implementatie ontdekken op de qubit kan de status van de qubit beïnvloeden Als dit niet het geval is, verwijdert u deze uit het account. Zo vermijden we de kans dat er fouten binnensluipen.

Het team besloot dat ze hun aanpak op twintig qubits konden gebruiken om fouten te onderdrukken en een kwantumsysteem te simuleren dat ongeveer vier keer zo groot was. Ze schatten dat hun 70-qubit-aanpak de mogelijkheden van een klassieke computer zou kunnen evenaren of zelfs overtreffen.

“Dit is de eerste keer dat deze aanpak wordt gebruikt voor een systeem van deze omvang”, zei Potter.

De volgende stappen omvatten het toepassen van qubit-recycling op kwantumproblemen, zoals het simuleren van de eigenschappen van materialen en het berekenen van hun laagste energietoestanden, oftewel kwantumgrondtoestanden.

Steun voor dit onderzoek kwam van het DOE Office of Advanced Scientific Computing Research Program en de National Science Foundation. De OLCF is een DOE Office of Science User Facility bij ORNL.