Concetti relativi al calcolo quantistico ibrido

Tutto il calcolo quantistico è ibrido in qualche senso. I primi sistemi quantistici usavano processi classici per inviare istruzioni al computer quantistico e ricevere ed elaborare i dati risultanti. Le architetture ibride più avanzate offrono un'integrazione più stretta e completa tra il calcolo classico e quantistico, accelerando il tempo di esecuzione e aprendo la porta alla nuova generazione di algoritmi. Ad esempio, il calcolo classico è spesso più veloce e più efficiente del calcolo quantistico per determinate attività, ad esempio l'elaborazione e l'analisi dei dati. Tuttavia, il calcolo quantistico offre prestazioni migliori per determinati tipi di problemi di ottimizzazione e simulazione.

Registri classici e quantistici

Nel calcolo quantistico, anche se i processori classici e quantistici sono strettamente integrati, sono ancora entità fisiche separate e i programmi di calcolo quantistico ibrido possono sfruttare ognuna delle loro funzionalità.

Un registro classico usa l'architettura familiare basata su chip di processore ed è più adatto per operazioni come l'invio di istruzioni al processore quantistico, l'acquisizione dei risultati della misurazione e l'uso di tali risultati per determinare il set successivo di istruzioni.

Un registro quantistico è un sistema costituito da più qubit. I computer quantistici eseguono calcoli complessi modificando i relativi qubit all'interno di un registro quantistico.

Misurazione a circuito intermedio

La misurazione a circuito intermedio è il processo di esecuzione delle misurazioni dello stato quantistico in vari punti durante l'esecuzione del programma, anziché solo alla fine. Queste misurazioni vengono usate per ottenere informazioni sugli stati intermedi del sistema e vengono usate dal codice classico per prendere decisioni in tempo reale sul flusso del programma. Le misurazioni a circuito intermedio fungono anche da "controlli di integrità" di correzione degli errori verificando lo stato del circuito in un determinato punto prima di spostarsi e sono strettamente correlati al riutilizzo del qubit.

Riutilizzo del qubit

I computer quantistici di oggi sono in grado di supportare un numero crescente di qubit. Tuttavia, siamo ancora lontani dalla possibilità di supportare milioni di qubit necessari per eseguire calcoli completamente a tolleranza di errore. Per altre informazioni sulla scalabilità dei computer quantistici necessari, vedere Introduzione alla stima delle risorse. Inoltre, è consigliabile usare il minor numero possibile di qubit.

Il riutilizzo del qubit è la pratica di progettazione di circuiti per usare lo stesso qubit più volte in un calcolo quantistico per ridurre al minimo i qubit totali necessari per eseguire il programma. Ad esempio, dopo aver eseguito una misurazione del circuito intermedio ed elaborato il risultato, tale qubit può essere reimpostato e riutilizzato per un altro calcolo invece di allocare un nuovo qubit. Esistono varie tecniche per usare nuovamente i qubit nel calcolo quantistico, ad esempio il teleportamento quantistico, la correzione degli errori quantistici e il calcolo quantistico basato sulla misurazione.

Mitigazione degli errori

Per rendere l'hardware quantistico corrente più affidabile in caso di errore e rumore, è possibile usare qubit logici . I qubit logici vengono creati usando più qubit fisici per codificare e proteggere le informazioni quantistiche. Tuttavia, poiché è necessario usare più qubit per creare un qubit logico, il numero complessivo di qubit che è possibile usare per i calcoli viene ridotto. Man mano che aumenta la capacità dell'hardware di supportare più qubit fisici, aumenteranno anche le funzionalità di tolleranza di errore.

Oltre a usare qubit logici, gli errori nei calcoli quantistici possono essere mitigati usando tecniche come più misurazioni, la progettazione di algoritmi che riducono il numero di operazioni necessarie o regolano i parametri sui cancelli quantistici per ridurre l'impatto del rumore.

Correzione degli errori e tolleranza di errore

La correzione degli errori e la tolleranza di errore sono aspetti critici del calcolo quantistico, poiché i qubit sono più soggetti a errori rispetto ai bit classici a causa della delicata natura degli stati quantistici e sono necessari sistemi a tolleranza di errore elevata per ottenere i vantaggi completi del calcolo quantistico ibrido distribuito. Nel calcolo classico, gli errori possono essere corretti aggiungendo ridondanza al calcolo e usando i codici di correzione degli errori. Tuttavia, le tecniche tradizionali di correzione degli errori non sono direttamente applicabili al calcolo quantistico, perché si basano sulla possibilità di ripetere il calcolo più volte, che non è possibile nel calcolo quantistico a causa del teorema di senza clonazione.

I codici Floquet sono una nuova classe di codici di correzione degli errori che rispondono dinamicamente al rumore e agli errori, anziché ai codici di correzione tradizionali che proteggono dagli errori statici. Per altre informazioni, vedere Correzione degli errori con i codici Floquet.

Algoritmi ibridi

• Variational Quantum Eigensolver (VQE) : un algoritmo quantistico per la chimica quantistica, le simulazioni quantistiche e i problemi di ottimizzazione e viene usato per trovare lo stato di base di un determinato sistema fisico. Il computer classico viene usato per definire circuiti quantistici con determinati parametri. Dopo aver misurato lo stato quantistico, il computer classico valuta come migliorare i parametri e quindi invia di nuovo i circuiti. Le VQE sono solitamente programmi di lunga durata che possono trarre vantaggio da un'integrazione più stretta con il calcolo quantistico ibrido.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) - anche un algoritmo quantistico variante, viene usato per trovare soluzioni approssimative per problemi di ottimizzazione combinatoriale - problemi in cui il numero di possibili soluzioni aumenta estremamente grande con le dimensioni del problema. Si tratta di un campo attivo di ricerca per identificare la sua applicabilità per applicazioni quali il controllo del traffico aereo, le rotte di spedizione o di consegna, o ottimizzazioni finanziarie.
• Stima della fase iterativa: è un altro metodo di esecuzione della stima della fase quantistica, che stima la fase di un operatore unitario e viene usato in molti altri algoritmi quantistici. Entrambi i metodi usano una serie di cancelli di rotazione per determinare la fase, ma la stima della fase iterativa utilizza il registro classico per archiviare informazioni e calcoli sulle misurazioni delle porte. In questo modo si riduce il numero di qubit necessari e si riducono al minimo i rumori e gli errori.

Per altre informazioni sugli algoritmi quantistici, vedere Lo zoo degli algoritmi quantistici.