Concepten voor hybride kwantumcomputing

Alle kwantumcomputing is in zekere zin hybride. De vroegste kwantumsystemen gebruikten klassieke processen om instructies naar de kwantumcomputer te verzenden en de resulterende gegevens te ontvangen en te verwerken. De meest geavanceerde hybride architecturen zorgen voor een strakkere en uitgebreidere integratie tussen klassieke en kwantumberekeningen, waardoor de uitvoeringstijd wordt versneld en de deur wordt geopend voor nieuwe generatie algoritmen. Klassieke computing is bijvoorbeeld vaak sneller en efficiënter dan kwantumcomputing voor bepaalde taken, zoals gegevensverwerking en analyse. Kwantumcomputing presteert echter beter voor bepaalde soorten optimalisatie- en simulatieproblemen.

Klassieke en kwantumregisters

In kwantumcomputing, zelfs als de klassieke en kwantumprocessors nauw zijn geïntegreerd, zijn ze nog steeds afzonderlijke fysieke entiteiten en kunnen hybride kwantumcomputingprogramma's profiteren van elk van hun mogelijkheden.

Een klassiek register maakt gebruik van de vertrouwde architectuur op basis van siliciumchips en is het meest geschikt voor bewerkingen zoals het verzenden van instructies naar de kwantumprocessor, het vastleggen van meetresultaten en het gebruik van deze resultaten om de volgende set instructies te bepalen.

Een kwantumregister is een systeem dat bestaat uit meerdere qubits. Kwantumcomputers excelleren bij het uitvoeren van complexe berekeningen door hun qubits in een kwantumregister te bewerken.

Middencircuitmeting

De meting van het middencircuit is het proces van het uitvoeren van kwantumstatusmetingen op verschillende punten tijdens de uitvoering van het programma, in plaats van alleen aan het einde. Deze metingen worden gebruikt om informatie te verkrijgen over de tussenliggende toestanden van het systeem en worden gebruikt door de klassieke code om realtime beslissingen te nemen over de stroom van het programma. Mid-circuitmetingen fungeren ook als foutcorrectie 'sanity controles' door de status van het circuit op een bepaald punt te controleren voordat ze verdergaan en nauw verwant zijn aan qubit-hergebruik.

Qubit hergebruik

De kwantumcomputers van vandaag kunnen een toenemend aantal qubits ondersteunen. We kunnen echter nog steeds niet de miljoenen qubits ondersteunen die nodig zijn om volledig fouttolerante berekeningen uit te voeren. Zie de inleiding tot het schatten van resources voor meer informatie over de schaal van kwantumcomputers die nodig zijn. Daarnaast is het wenselijk om zo weinig mogelijk qubits te gebruiken.

Qubit hergebruik is de praktijk van het ontwerpen van circuits om dezelfde qubit meerdere keren te gebruiken in een kwantumberekening om de totale qubits te minimaliseren die nodig zijn om uw programma uit te voeren. Na het uitvoeren van een gemiddelde circuitmeting en het verwerken van het resultaat kan die qubit bijvoorbeeld opnieuw worden ingesteld en hergebruikt voor een andere berekening in plaats van een nieuwe qubit toe te wijzen. Er zijn verschillende technieken voor het opnieuw gebruiken van qubits in kwantumcomputing, zoals kwantumteleportatie, kwantumfoutcorrectie en kwantumcomputing op basis van metingen.

Foutbeperking

Om de huidige kwantumhardware robuuster te maken tegen fouten en ruis, kunnen logische qubits worden gebruikt. Logische qubits worden gemaakt met behulp van meerdere fysieke qubits om kwantumgegevens te coderen en te beveiligen. Omdat er echter meerdere qubits moeten worden gebruikt om één logische qubit te maken, wordt het totale aantal qubits dat kan worden gebruikt voor berekeningen verminderd. Naarmate de mogelijkheid van hardware om meer fysieke qubits te ondersteunen toeneemt, neemt ook de fouttolerantiemogelijkheden toe.

Naast het gebruik van logische qubits kunnen fouten in kwantumberekeningen worden beperkt door technieken zoals meerdere metingen te gebruiken, algoritmen te ontwerpen die het aantal benodigde bewerkingen verminderen of parameters op kwantumpoorten aanpassen om de impact van ruis te verminderen.

Foutcorrectie en fouttolerantie

Foutcorrectie en fouttolerantie zijn essentiële aspecten van kwantumcomputing, omdat qubits gevoeliger zijn voor fouten dan klassieke bits vanwege de delicate aard van kwantumtoestanden en zeer fouttolerante systemen nodig zijn om de volledige voordelen van gedistribueerde hybride kwantumcomputing te bereiken. In klassieke computing kunnen fouten worden gecorrigeerd door redundantie toe te voegen aan de berekening en door foutcodes te gebruiken. Traditionele foutcorrectietechnieken zijn echter niet rechtstreeks van toepassing op kwantumcomputing, omdat ze afhankelijk zijn van het meerdere keren kunnen herhalen van de berekening, wat niet mogelijk is in kwantumcomputing vanwege de no-clone theorem.

Floquet-codes zijn een nieuwe klasse van foutcodes die dynamisch reageren op ruis en fouten, in plaats van traditionele correctiecodes die beschermen tegen statische fouten. Zie Foutcorrectie met Floquet-codes voor meer informatie.

Hybride algoritmen

• Variational Quantum Eigensolver (VQE) - een kwantumalgoritmen voor kwantumchemie, kwantumsimulaties en optimalisatieproblemen en worden gebruikt om de grondtoestand van een bepaald fysiek systeem te vinden. De klassieke computer wordt gebruikt om kwantumcircuits met bepaalde parameters te definiëren. Nadat de kwantumstatus is gemeten, evalueert de klassieke computer hoe de parameters kunnen worden verbeterd en vervolgens de circuits opnieuw worden ingediend. VQEs zijn meestal langlopende programma's die kunnen profiteren van de strakkere integratie van hybride kwantumcomputing.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) - ook een variatieal kwantumalgoritme, het wordt gebruikt voor het vinden van geschatte oplossingen voor combinatoriële optimalisatieproblemen - problemen waarbij het aantal mogelijke oplossingen extreem groot wordt met de grootte van het probleem. Het is een actief onderzoeksveld om de toepasbaarheid ervan te identificeren voor toepassingen zoals luchtverkeersbeheer, verzendings- of leveringsroutes of financiële optimalisaties.
• Iteratieve faseraming : is een andere methode voor het uitvoeren van een kwantumfaseraming, die de fase van een eenheidsoperator schat en wordt gebruikt in veel andere kwantumalgoritmen. Beide methoden gebruiken een reeks draaipoorten om de fase te bepalen, maar iteratieve faseschatting maakt gebruik van het klassieke register voor het opslaan van informatie en berekeningen over poortmetingen. Dit vermindert het aantal vereiste qubits en minimaliseert ruis en fouten.

Voor meer informatie over kwantumalgoritmen gaat u naar de Dierentuin van quantumalgoritmen.