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量子计算

量子计算

礼貌:美国能源部Andy Sproles /橡树岭国家实验室
06 Jul 2018
本文首次发表于2018年 物理世界关注计算

量子计算设备正在变得越来越强大,但是直到最近,只有少数专家才能发挥其功能。 托马斯·帕彭布罗克, 帕维尔·卢戈夫斯基(Pavel Lougovski)马丁·萨维奇 描述市售的基于云的量子计算服务如何为新用户打开领域

量子计算机(使用量子机械叠加原理处理信息的设备)正在从大学和国家实验室到初创企业以及Google,IBM,Intel和Microsoft等大型公司的组织中进行开发,构建和研究。这些设备之所以引起人们的极大兴趣,是因为它们可以解决某些计算上的“难题”,例如搜索大型无序列表或分解大量数字,比任何传统计算机都快得多。这是因为量子力学叠加原理类似于指数计算并行性-换句话说,它使得可以一次探索多个计算路径。

因为本质上本质上是量子力学,所以量子计算机还具有解决涉及固体,分子,原子,原子核或亚原子粒子的结构和动力学问题的潜力。研究人员在解决经典计算机上的此类问题方面取得了长足的进步,但是随着粒子数量的增加,所需的计算量通常呈指数增长。因此,这些领域的科学家对量子计算机产生了极大的兴趣也就不足为奇了。

正在探索许多不同的技术作为构建量子处理器的基础。其中包括超导体,离子阱,光学器件,具有氮空位中心的钻石和超冷中性原子-仅举几例。在所有情况下,挑战都在于保持量子状态相干足够长的时间以执行算法(这要求将量子处理器与外部扰动或噪声严格隔离),同时保持以受控方式操纵这些状态的能力(这不可避免地需要在量子态之间引入耦合)。脆弱的量子系统和嘈杂的环境)。

最近,具有超过50个量子位或量子位的通用量子处理器得到了证明-一个令人振奋的里程碑,因为即使在相对较低的复杂性水平下,量子处理器也变得太大,以致于除大多数以外的所有设备都无法对其进行仿真。强大的经典超级计算机。目前,这些50量子位机器用于解决“硬”科学问题的实用性受到去相干设置(几十个)之前可以执行的量子逻辑运算的数量的限制,并且&努力集中在增加这种相干时间上。尽管如此,在这样的设备上已经可以解决一些问题。问题是,如何?

首先,找到电脑

在研究领域内,科学家们已迈出了使用量子装置解决化学,材料科学,核物理和粒子物理问题的第一步。在大多数情况下,这些问题是通过科学家与设备的开发人员,所有者和/或操作人员之间的合作进行研究的。但是,用于编程量子计算处理器的可公开获得的软件(例如PyQuil,QISKit和XACC)的组合,以及对设备本身的改进访问,已开始向更广泛的相关方开放领域。例如,IBM公司和Rigetti公司允许用户分别通过IBM Q Experience和Rigetti Forest API访问其量子计算机。这些是基于云的服务:用户可以在模拟器上测试和开发程序,并在量子设备上运行它们,而无需离开办公室。

例如,我们最近使用IBM和Rigetti云服务来计算氘核的结合能-质子和形成重氢原子中心的中子的结合态。我们使用的量子设备由大约20个超导量子位或跨子组成。它们在单量子位上的量子运算保真度超过99%,而其两个量子位的保真度约为95%。每个qubit通常连接到3-5个邻居。预计这些规范(量子位数,保真度和连接性)将随着时间的推移而改善,但是通用量子计算的不久的将来很可能基于相似的参数-加州理工学院的John Preskill称之为“嘈杂的中间大规模量子”(NISQ)技术。

氘核是最简单的原子核,其性质众所周知,使其成为量子计算的良好测试案例。同样,由于量子位是两种状态的量子力学系统(通常被认为是“自旋”和“自旋”状态),因此在量子位和费米子之间存在自然的映射-即具有半整数自旋的粒子遵守泡利(Pauli)排除原理的元素-例如构成氘核的质子和中子。从概念上讲,每个量子位代表一个费米子可以占据的轨道(或离散)位置,并且上下旋转分别对应于零个或一个费米子占据该轨道。基于此Jordan-Wigner映射,量子芯片可以模拟与量子位一样多的费米子。

氘核结合能的量子计算的另一个有用特性是可以简化计算本身。问题的平移不变性将质子和中子的束缚态计算简化为仅​​取决于粒子之间的相对距离的单粒子问题。此外,氘核的哈密顿量在长波长范围内变得更简单,因为质子与中子之间复杂的强相互作用的细节无法在低能量下解析。这些简化允许我们仅使用两个和三个量子位来执行量子计算。

那你算一下

我们在量子处理器上准备了一系列纠缠的量子态,并在量子芯片上计算了氘核的能量。状态准备包括一个ary运算,该,运算分解为一系列作用于初始状态的单量子位和二量子位量子逻辑运算。着眼于相对较低的2比特保真度,我们为此任务采用了最少数量的2比特CNOT(非受控)操作。为了计算氘核的能量,我们测量了哈密顿量中的Pauli算符的期望值,并将量子位态投影到经典位上。这是一个随机过程,我们为每个准备好的量子态从10,000次测量中收集了统计数据。这大约是用户可以通过云访问进行的最大测量次数,但这对我们来说已经足够了,因为我们受到了噪声的限制,而不受统计数据的限制。但是,使用大量量子位或要求更高精度的更复杂的物理系统可能需要更多的测量。

为了计算氘的结合能,我们必须找到我们准备的所有量子态的最小能。使用量子计算机的结果作为输入,使用经典计算机完成了最小化。我们使用了两种氘代哈密顿量,一种用于二个量子位,另一种用于三个量子位。两比特的计算仅涉及一次CNOT操作,因此不会受到明显的噪声影响。

但是,三量子位计算受到噪声的很大影响,因为量子电路涉及三个CNOT操作。为了理解噪声的系统影响,我们在量子电路中插入了额外的CNOT运算对,相当于没有噪声时的标识运算符。这进一步增加了噪声水平,使我们能够在能量计算中测量和减去噪声。结果,我们的工作产生了通过云进行的原子核的第一量子计算。

接下来是什么?

为了进行计算,我们将量子处理器与经典计算机一起使用。但是,量子计算机对于独立应用程序也具有广阔的前景。例如,相互作用的费米子的动力学是由a时间演化算子产生的,因此可以通过量子芯片上的gate门操作自然地实现。

在一个单独的实验中,我们使用IBM量子云来模拟Schwinger模型-一种典型的量子场论,该理论描述了通过电磁场耦合的电子和正电子的动力学。我们的工作是由因斯布鲁克大学的Esteban Martinez和合作者进行的,他们于2016年使用高度优化的捕获离子系统作为量子装置探索了Schwinger模型的动力学,这使他们可以应用数百(!)量子运算。为了通过对NISQ设备的云访问使仿真成为可能,我们利用了模型的对称性来降低量子电路的复杂性。然后,我们将电路应用于初始基态,生成单位时间演化,仅使用两个量子位就可以测量电子正电子含量随时间的变化。

IBM和Rigetti公开提供的Python API使我们的云量子计算体验变得非常轻松。他们使我们能够在模拟器上测试我们的程序(可以避免诸如噪声之类的缺陷),并可以在实际的量子硬件上运行计算,而无需了解有关硬件本身的许多细节。但是,尽管软件将我们的状态准备unit运算分解为一系列基本的量子逻辑运算,但对于硬件而言,该分解并未进行优化。这迫使我们修补量子电路,以最大程度地减少两个量子比特运算的次数。展望未来,并考虑更多
如果系统复杂,那么这种分解优化可以自动化。

在其大部分历史中,量子计算仅在实验上提供给了少数具有构建和操作此类设备知识的研究人员。云量子计算将改变这种状况。我们发现它是一种自由的体验-出色的均衡器,有潜力将量子计算带入许多领域,就像设备本身开始证明自己的价值一样。

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