Заимствовав страницу из учебников по физике высоких энергий и астрономии, группа физиков и компьютерных ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) успешно адаптировала и применила общий метод уменьшения ошибок в области квантовых вычислений.
В мире субатомных частиц и гигантских детекторов частиц, далеких галактик и гигантских телескопов ученые научились жить и работать в условиях неопределенности. Они часто пытаются отделить сверхредкие взаимодействия частиц от огромного клубка взаимодействий других частиц и фонового «шума», который может усложнить их охоту, или пытаются отфильтровать эффекты атмосферных искажений и межзвездной пыли, чтобы улучшить разрешение астрономических данных.
Кроме того, присущие детекторам проблемы, такие как их способность регистрировать все взаимодействия частиц или точно измерять энергии частиц, могут привести к неправильному считыванию данных электроникой, к которой они подключены, поэтому ученым необходимо разработать сложные фильтры в форме компьютерных алгоритмов, чтобы уменьшить погрешность и получить наиболее точные результаты.
Проблемы шума и физических дефектов, а также необходимость в алгоритмах исправления и смягчения ошибок, которые уменьшают частоту и серьезность ошибок, также распространены в молодой области квантовых вычислений , и исследование, опубликованное в журнале npj Quantum Information выяснили, что есть и общие решения.
Бен Нахман, физик из лаборатории Беркли, который участвует в экспериментах по физике элементарных частиц в ЦЕРН в качестве члена группы ATLAS лаборатории Беркли, увидел связь квантовых вычислений, работая над расчетом физики элементарных частиц с Кристианом Бауэром, физиком-теоретиком из лаборатории Беркли, который является соавтор исследования. ATLAS - один из четырех гигантских детекторов частиц на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа, самом большом и самом мощном коллайдере частиц в мире.
«В ATLAS нам часто приходится «разворачивать» или корректировать эффекты детектора», - сказал Нахман, ведущий автор исследования. «Люди разрабатывали эту технику годами».
В экспериментах на LHC частицы, называемые протонами, сталкиваются со скоростью около 1 миллиарда раз в секунду. Чтобы справиться с этой невероятно загруженной, «шумной» средой и внутренними проблемами, связанными с разрешением по энергии и другими факторами, связанными с детекторами, физики используют исправляющие ошибки методы «разворачивания» и другие фильтры, чтобы отсеять этот беспорядок частиц до наиболее полезных и точных данных.
«Мы поняли, что современные квантовые компьютеры тоже очень шумные», - сказал Нахман, поэтому поиск способа уменьшить этот шум и минимизировать ошибки - смягчение их последствий - является ключом к развитию квантовых вычислений. «Один вид ошибок связан с фактическими операциями, которые вы выполняете, а другой - со считыванием состояния квантового компьютера», - отметил он, - первый тип известен как ошибка логического элемента, а второй - ошибка считывания.
Последнее исследование сосредоточено на методе уменьшения ошибок считывания, называемом «итеративным байесовским развертыванием» (IBU), который хорошо известен сообществу физиков высоких энергий. В исследовании сравнивается эффективность этого подхода с другими методами исправления ошибок и смягчения их последствий. Метод IBU основан на теореме Байеса, которая обеспечивает математический способ определения вероятности наступления события, когда есть другие условия, связанные с этим событием, которые уже известны.
Нахман отметил, что эту технику можно применить к квантовому аналогу классических компьютеров, известному как универсальные квантовые компьютеры.
В квантовых вычислениях, которые полагаются на квантовые биты или кубиты для передачи информации, хрупкое состояние, известное как квантовая суперпозиция, трудно поддерживать, и оно может со временем распадаться, в результате чего кубит отображает ноль вместо единицы - это обычное явление, пример ошибки считывания.
Суперпозиция предусматривает, что квантовый бит может одновременно представлять ноль, единицу или обе величины. Это обеспечивает уникальные вычислительные возможности, недоступные в обычных вычислениях, которые полагаются на биты, представляющие либо единицу, либо ноль, но не оба сразу. Еще один источник ошибок считывания в квантовых компьютерах - это просто ошибочное измерение состояния кубита из-за архитектуры компьютера.
В ходе исследования ученые смоделировали квантовый компьютер, чтобы сравнить производительность трех различных методов исправления ошибок (или их устранения или развертывания). Они обнаружили, что метод IBU более надежен в очень шумной, подверженной ошибкам среде и немного превосходит два других при наличии более общих шумовых структур. Его производительность сравнивали с методом исправления ошибок под названием Ignis, который является частью набора инструментов разработки программного обеспечения для квантовых вычислений с открытым исходным кодом, разработанным для квантовых компьютеров IBM, и с очень простой формой развертывания, известной как метод инверсии матриц.
Исследователи использовали смоделированную среду квантовых вычислений для создания более 1000 псевдо-экспериментов и обнаружили, что результаты метода IBU были наиболее близки к предсказаниям. Модели шума, используемые для этого анализа, были измерены на 20-кубитном квантовом компьютере под названием IBM Q Johannesburg.
«Мы взяли очень распространенную технику из физики высоких энергий и применили ее к квантовым вычислениям, и она сработала очень хорошо - как и должно быть», - сказал Нахман. Кривая обучения была крутой. «Мне пришлось изучить множество вещей о квантовых вычислениях, чтобы быть уверенным, что я знаю, как это перевести и реализовать на квантовом компьютере».
Он сказал, что ему также очень повезло найти соавторов для исследования, обладающих опытом в области квантовых вычислений в лаборатории Беркли, в том числе Берта де Йонга, который возглавляет группу квантовых алгоритмов отдела перспективных научных исследований в области вычислительной техники Министерства энергетики США и проект ускоренных исследований квантовых вычислений в Беркли.
«Приятно видеть, как изобилие знаний, которые сообщество физиков высоких энергий разработало, чтобы получить максимальную отдачу от шумных экспериментов, можно использовать для получения большей отдачи от шумных квантовых компьютеров», - сказал де Йонг.
По словам Нахмана, моделируемые и реальные квантовые компьютеры, использованные в исследовании, варьировались от пяти до 20 кубитов, и методика должна быть масштабируемой для более крупных систем. Но методы исправления и устранения ошибок, которые тестировали исследователи, потребуют больше вычислительных ресурсов по мере увеличения размера квантовых компьютеров, поэтому Нахман сказал, что команда сосредоточена на том, как сделать методы более управляемыми для квантовых компьютеров с большими массивами кубитов.
Нахман, Бауэр и де Йонг также участвовали в более раннем исследовании, в котором предлагается способ уменьшить ошибки логического элемента, которые являются другим основным источником ошибок квантовых вычислений. Они считают, что исправление ошибок и их смягчения в квантовых вычислениях может в конечном счете, требует смешивания и подгонки подходов - используя комбинацию из нескольких методов.
«Это захватывающее время», - сказал Нахман, поскольку область квантовых вычислений еще молода и есть много возможностей для инноваций. «Люди, по крайней мере, получили информацию об этих типах подходов, и у нас есть возможности для прогресса». Он отметил, что квантовые вычисления дали «толчок к осмыслению проблем по-новому», добавив: «Они открыли новый научный потенциал».