Hybridbegrepp för kvantberäkning

All kvantberäkning är hybrid i någon mening. De tidigaste kvantsystemen använde klassiska processer för att skicka instruktioner till kvantdatorn och ta emot och bearbeta resulterande data. De mest avancerade hybridarkitekturerna ger en snävare och rikare integrering mellan klassisk och kvantberäkning, vilket påskyndar körningstiden och öppnar dörren för nya algoritmer. Till exempel är klassisk databehandling ofta snabbare och effektivare än kvantberäkning för vissa uppgifter, till exempel databehandling och analys. Kvantberäkning fungerar dock bättre för vissa typer av optimerings- och simuleringsproblem.

Klassiska register och kvantregister

Även om de klassiska processorerna och kvantprocessorerna är tätt integrerade inom kvantberäkning är de fortfarande separata fysiska entiteter, och hybridprogram för kvantberäkning kan dra nytta av var och en av deras funktioner.

Ett klassiskt register använder den välbekanta kiselchipsbaserade arkitekturen och passar bäst för åtgärder som att skicka instruktioner till kvantprocessorn, samla in mätresultat och använda dessa resultat för att fastställa nästa uppsättning instruktioner.

Ett kvantregister är ett system som består av flera kvantbitar. Kvantdatorer är bra på att utföra komplexa beräkningar genom att manipulera sina kvantbitar i ett kvantregister.

Mätning av mellankretsar

Mätning i mitten av kretsen är processen att utföra kvanttillståndsmätningar vid olika tidpunkter under körningen av programmet, snarare än bara i slutet. Dessa mätningar används för att hämta information om systemets mellanliggande tillstånd och används av den klassiska koden för att fatta realtidsbeslut om programmets flöde. Mid-circuit-mätningar fungerar också som felkorrigering "sanitetskontroller" genom att verifiera tillståndet för kretsen vid en viss tidpunkt innan du går vidare och är nära relaterade till återanvändning av kvantbitar.

Återanvändning av qubit

Dagens kvantdatorer kan stödja ett ökande antal kvantbitar. Vi är dock fortfarande långt ifrån att kunna stödja de miljontals kvantbitar som behövs för att köra fullständigt feltoleranta beräkningar. Mer information om skalan för kvantdatorer som behövs finns i Introduktion till resursuppskattning. Dessutom är det önskvärt att använda så få kvantbitar som möjligt.

Återanvändning av kvantbitar är en metod för att utforma kretsar för att använda samma kvantbit flera gånger i en kvantberäkning för att minimera de totala kvantbitar som behövs för att köra programmet. När du till exempel har utfört en mätning i mitten av kretsen och bearbetat resultatet kan den kvantbiten återställas och återanvändas för en annan beräkning i stället för att allokera en ny kvantbit. Det finns olika tekniker för återanvändning av kvantbitar inom kvantberäkning, till exempel kvantteleportering, kvantfelkorrigering och mätbaserad kvantberäkning.

Skademinimering

För att göra den aktuella kvantmaskinvaran mer robust mot fel och brus kan logiska kvantbitar användas. Logiska kvantbitar skapas med flera fysiska kvantbitar för att koda och skydda kvantinformation. Men eftersom flera kvantbitar måste användas för att skapa en logisk kvantbit minskas det totala antalet kvantbitar som kan användas för beräkningar. I takt med att maskinvarans förmåga att stödja fler fysiska kvantbitar ökar, kommer även feltoleransfunktionerna att göra det.

Förutom att använda logiska kvantbitar kan fel i kvantberäkningar minimeras med hjälp av tekniker som flera mätningar, designa algoritmer som minskar antalet åtgärder som behövs eller justera parametrar på kvantgrindar för att minska effekten av brus.

Felkorrigering och feltolerans

Felkorrigering och feltolerans är viktiga aspekter av kvantberäkning, eftersom kvantbitar är mer benägna att fel än klassiska bitar på grund av kvanttillståndens känsliga natur, och mycket feltoleranta system behövs för att uppnå de fulla fördelarna med distribuerad hybrid kvantberäkning. Vid klassisk databehandling kan fel korrigeras genom att redundans läggs till i beräkningen och felkorrigeringskoder används. Traditionella felkorrigeringstekniker är dock inte direkt tillämpliga på kvantberäkning, eftersom de förlitar sig på att kunna upprepa beräkningen flera gånger, vilket inte är möjligt vid kvantberäkning på grund av no-cloning-teorem.

Floquet-koder är en ny klass av felkorrigeringskoder som svarar på brus och fel dynamiskt, i stället för traditionella korrigeringskoder som skyddar mot statiska fel. Mer information finns i Felkorrigering med Floquet-koder.

Hybridalgoritmer

• Variational Quantum Eigensolver (VQE) – en kvantalgoritm för kvantkemi, kvantsimuleringar och optimeringsproblem och används för att hitta grundtillståndet för ett visst fysiskt system. Den klassiska datorn används för att definiera kvantkretsar med vissa parametrar. När kvanttillståndet har mätts utvärderar den klassiska datorn hur parametrarna kan förbättras och skicka sedan kretsarna igen. VQE:er är vanligtvis långvariga program som kan dra nytta av en tätare integration av hybrid kvantberäkning.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) - också en variant kvantalgoritm, används den för att hitta ungefärliga lösningar på problem med kombinatoriell optimering – problem där antalet möjliga lösningar växer extremt stort med problemets storlek. Det är ett aktivt forskningsområde för att identifiera dess tillämplighet för program som flygkontroll, frakt- eller leveransvägar eller finansiella optimeringar.
• Iterativ fasuppskattning – är en annan metod för att utföra kvantfasuppskattning, som uppskattar fasen för en enhetsoperator och används i många andra kvantalgoritmer. Båda metoderna använder en serie rotationsportar för att fastställa fasen, men iterativ fasuppskattning använder ett klassiskt register för att lagra information och beräkningar om portmätningar. Detta minskar antalet kvantbitar som krävs och minimerar brus och fel.

Mer information om kvantalgoritmer finns i Quantum Algorithm Zoo.