Pojęcia dotyczące hybrydowych obliczeń kwantowych

Wszystkie obliczenia kwantowe są w pewnym sensie hybrydowe. Najwcześniejsze systemy kwantowe używały klasycznych procesów do wysyłania instrukcji do komputera kwantowego oraz odbierania i przetwarzania wynikowych danych. Najbardziej zaawansowane architektury hybrydowe umożliwiają ściślejszą i bogatszą integrację między obliczeniami klasycznymi i kwantowymi, przyspieszając czas wykonywania i otwierając drzwi do nowej generacji algorytmów. Na przykład przetwarzanie klasyczne jest często szybsze i wydajniejsze niż obliczenia kwantowe dla niektórych zadań, takich jak przetwarzanie danych i analiza. Jednak obliczenia kwantowe działają lepiej w przypadku niektórych typów problemów z optymalizacją i symulacją.

Rejestry klasyczne i kwantowe

W obliczeniach kwantowych, mimo że klasyczne i kwantowe procesory są ściśle zintegrowane, nadal są oddzielnymi jednostkami fizycznymi, a hybrydowe programy do obliczeń kwantowych mogą korzystać z każdej z ich możliwości.

Rejestr klasyczny używa znanej architektury opartej na mikroukładach krzemowych i najlepiej nadaje się do operacji, takich jak wysyłanie instrukcji do procesora kwantowego, przechwytywanie wyników pomiaru i używanie tych wyników do określenia następnego zestawu instrukcji.

Rejestr kwantowy to system składający się z wielu kubitów. Komputery kwantowe mogą wykonywać złożone obliczenia, manipulując kubitami w rejestrze kwantowym.

Pomiar środkowej części obwodu

Pomiar obwodu środkowego to proces wykonywania pomiarów stanu kwantowego w różnych punktach podczas wykonywania programu, a nie tylko na końcu. Te pomiary służą do uzyskiwania informacji o stanach pośrednich systemu i są używane przez klasyczny kod do podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym dotyczących przepływu programu. Pomiary w środku obwodu działają również jako sprawdzanie poprawności poprzez korektę błędów, weryfikując stan obwodu w pewnym momencie, zanim się przejdzie dalej, i są ściśle związane z ponownym użyciem kubitów.

Ponowne użycie kubitu

Dzisiejsze komputery kwantowe mogą obsługiwać rosnącą liczbę kubitów. Nadal jednak nie jesteśmy w stanie obsługiwać milionów kubitów potrzebnych do uruchamiania w pełni odpornych na błędy obliczeń. Aby uzyskać więcej informacji na temat skali potrzebnych komputerów kwantowych, zobacz Wprowadzenie do szacowania zasobów. Ponadto pożądane jest użycie jak najmniejszej liczby kubitów.

Ponowne użycie kubitu to praktyka projektowania obwodów do wielokrotnego używania tego samego kubitu w obliczeniach kwantowych w celu zminimalizowania łącznej liczby kubitów potrzebnych do uruchomienia programu. Na przykład po wykonaniu pomiaru w połowie obwodu i przetworzeniu wyniku kubit można zresetować i ponownie użyć do innego obliczenia zamiast przydzielić nowy kubit. Istnieją różne techniki ponownego używania kubitów w obliczeniach kwantowych, takie jak teleportacja kwantowa, korekta błędów kwantowych i obliczenia kwantowe oparte na pomiarach.

Łagodzenie błędów

Aby zapewnić większą niezawodność bieżącego sprzętu kwantowego w stosunku do błędów i szumów, można użyć kubitów logicznych . Kubity logiczne są tworzone przy użyciu wielu kubitów fizycznych do kodowania i ochrony informacji kwantowych. Jednak ponieważ do utworzenia jednego kubitu logicznego należy użyć wielu kubitów, zmniejsza się łączna liczba kubitów, które mogą być używane na potrzeby obliczeń. Wraz ze wzrostem możliwości sprzętu do obsługi większej liczby kubitów fizycznych, dzięki temu możliwości odporności na uszkodzenia będą zwiększane.

Oprócz używania kubitów logicznych błędy w obliczeniach kwantowych można ograniczyć przy użyciu technik, takich jak wiele pomiarów, projektowanie algorytmów, które zmniejszają liczbę wymaganych operacji lub dostosowywanie parametrów bram kwantowych w celu zmniejszenia wpływu szumu.

Korekta błędów i odporność na uszkodzenia

Korekta błędów i odporność na uszkodzenia są krytycznymi aspektami obliczeń kwantowych, ponieważ kubity są bardziej podatne na błędy niż bity klasyczne ze względu na delikatny charakter stanów kwantowych, a wysoce odporne na uszkodzenia systemy są potrzebne do osiągnięcia pełnych korzyści z rozproszonych hybrydowych obliczeń kwantowych. W przypadku przetwarzania klasycznego błędy można poprawić, dodając nadmiarowość do obliczeń i używając kodów poprawek błędów. Jednak tradycyjne techniki korygowania błędów nie mają bezpośredniego zastosowania do obliczeń kwantowych, ponieważ polegają na wielokrotnym powtarzaniu obliczeń, co nie jest możliwe w obliczeniach kwantowych ze względu na twierdzenie bez klonowania.

Kody Floquet to nowa klasa kodów korekcji błędów, które dynamicznie reagują na szumy i błędy, w przeciwieństwie do tradycyjnych kodów korekcji, które chronią przed błędami statycznymi. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Poprawianie błędów za pomocą kodów Floquet.

Algorytmy hybrydowe

• Variational Quantum Eigensolver (VQE) - algorytm kwantowy dla chemii kwantowej, symulacji kwantowych i problemów optymalizacji i służy do znajdowania stanu naziemnego danego systemu fizycznego. Klasyczny komputer służy do definiowania obwodów kwantowych z określonymi parametrami. Po zmierzeniu stanu kwantowego klasyczny komputer ocenia, jak poprawić parametry, a następnie ponownie przesyła obwody. VQEs to zazwyczaj długotrwałe programy, które mogą korzystać z ściślejszej integracji hybrydowych obliczeń kwantowych.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) - również wariacyjny algorytm kwantowy, służy do znajdowania przybliżonych rozwiązań problemów optymalizacji kombinatorycznej - problemów, w których liczba możliwych rozwiązań rośnie bardzo szybko wraz z rozmiarem problemu. Jest to aktywna dziedzina badań w celu zidentyfikowania jego stosowania w aplikacjach, takich jak kontrola ruchu lotniczego, trasy wysyłkowe lub dostawy, lub optymalizacje finansowe.
• Iteracyjne szacowanie fazy — to inna metoda przeprowadzania szacowania fazy kwantowej, która szacuje fazę operatora unitarycznego i jest używana w wielu innych algorytmach kwantowych. Obie metody używają serii bram obrotu do określenia fazy, jednak iteracyjne szacowanie fazy wykorzystuje rejestr klasyczny do przechowywania informacji i obliczeń dotyczących pomiarów bram. Zmniejsza to wymaganą liczbę kubitów i minimalizuje szumy i błędy.

Aby uzyskać więcej informacji na temat algorytmów kwantowych, odwiedź zoo algorytmów kwantowych.