Квантовые компьютеры продвигаются вперед с новыми проектами в Sandia

Квантовый компьютер - это термин, который периодически вспыхивает в медийном сообществе, как молния в пустыне: блестящий, привлекающий внимание, а затем исчезающий из сознания публики без видимых последствий. И все же многомиллионные международные усилия по созданию квантовых компьютеров вряд ли закончатся.

И теперь, четыре новых проекта, возглавляемых Национальными лабораториями Sandia, направлены на создание:

• «Испытательного стенда» для квантовых вычислений с доступными компонентами, на котором промышленные, академические и правительственные исследователи могут запускать свои собственные алгоритмы.
• Набора тестовых программ для измерения производительности квантового оборудования.
• Классического программного обеспечения для надежной работы испытательных стендов квантовых компьютеров и получения наиболее полезных данных.
• Квантовых алгоритмов высокого уровня, которые исследуют связи с теоретической физикой, классической оптимизацией и машинным обучением.

Эти пятилетние проекты финансируются на сумму 42 миллиона долларов США в рамках программы передовых научных исследований в области вычислительной техники, разработанной Министерством энергетики, которая входит в портфель передовых научных и технологических разработок Sandia.

Квантовая информатика «представляет собой следующий рубеж в век информации», заявил министр энергетики США Рик Перри этой осенью, когда он объявил о выделении 218 миллионов долларов США для финансирования исследований.

«В условиях жесткой международной конкуренции эти инвестиции обеспечат устойчивое американское лидерство в области, которая может сформировать долгосрочное будущее обработки информации и дать множество новых технологий.

Все это принесет пользу нашей экономике и обществу». Партнерами по трем из четырех проектов являются Калифорнийский технологический институт, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Дартмутский колледж, Университет Дьюка, Университет Мэриленда и Университет Тафтса.

Рождение общедоступного квантового компьютера

Проектирование и строительство самого квантового компьютера - формально известного как открытый пользовательский испытательный стенд Quantum Scientific Computing, под руководством исследователя из Sandia Peter Maunz, представляет собой пятилетний проект стоимостью 25,1 миллиона долларов США, в котором будет использована технология захваченных атомных ионов.

По словам Maunz, захваченные ионы уникально подходят для реализации квантового компьютера, поскольку квантовые биты (кубиты, квантовое обобщение классических битов), кодируются в электронных состояниях отдельных захваченных атомных ионов. «Поскольку захваченные ионы идентичны и подвешены электрическими полями в вакууме, они имеют идентичные, почти идеальные кубиты, которые хорошо изолированы от шума окружающей среды и, следовательно, могут достоверно хранить и обрабатывать информацию» - сказал он.

«Хотя современные небольшие квантовые компьютеры без квантовой коррекции ошибок по-прежнему являются шумными устройствами, квантовые вентили с наименьшим уровнем шума были реализованы с помощью технологии с захваченными ионами».

Квантовые ворота - это фундаментальный строительный блок квантовой цепи, работающей на небольшом числе кубитов.

Кроме того, в системах с захваченными ионами, возможно реализовать квантовые вентили между всеми парами ионов в одной и той же ловушке. Особенность, которая может существенно уменьшить количество вентилей, необходимых для реализации квантовых вычислений. QSCOUT предназначен для того, чтобы сделать квантовый компьютер с запертыми ионами доступным для научного сообщества Министерства энергетики.

Как открытая платформа, она не только предоставит полную информацию обо всех своих квантовых и классических процессах, но и позволит исследовать, изменять и оптимизировать внутренние компоненты испытательного стенда или даже предлагать более совершенные реализации квантовой модели.

Поскольку современные квантовые компьютеры имеют доступ только к ограниченному количеству кубитов и их работа по-прежнему подвержена ошибкам, эти устройства еще не могут решить научные проблемы, доступные классическим компьютерам. Т

ем не менее доступ к прототипным квантовым процессорам, таким как QSCOUT, должен позволить исследователям оптимизировать существующие квантовые алгоритмы, изобретать новые и оценивать возможности квантовых вычислений для решения сложных научных задач.

Лучше один раз увидеть

Как ученые гарантируют, что технические компоненты квантового испытательного стенда будут работать так, как ожидается? Команда Sandia во главе с квантовым исследователем Робином Блюм-Кохоутом разрабатывает набор инструментов для измерения производительности квантовых компьютеров в реальных ситуациях. «Наша цель - разработать методы и программное обеспечение, которые оценивают точность квантовых компьютеров» - сказал Блюм-Кохоут.

Пятилетний проект Quantum Performance Assessment стоимостью $ 3,7 млн. планирует разработать широкий спектр крошечных квантовых программ. Они варьируются от простых процедур, до примеров реальных квантовых алгоритмов для химического или машинного обучения размером с испытательный стенд, которые можно запустить практически на любом квантовом процессоре.

Эти программы не написаны на высокоуровневом компьютерном языке, а представляют собой последовательности элементарных инструкций, предназначенных для непосредственного выполнения на кубитах и получения известного результата.

Тем не менее поскольку мы признаем, что квантовая механика также является несколько случайной, некоторые из этих тестовых программ предназначены для получения 50/50 случайных результатов.

Это означает, что нам нужно запускать тестовые программы тысячи раз, чтобы подтвердить, что на самом деле результат 50/50, а не, 70/30. Цель команды - использовать результаты тестового стенда для отладки таких процессоров, как QSCOUT, путем поиска проблем, чтобы инженеры могли их исправить. Это требует значительных знаний в области физики и статистики, но Блюм-Кохоут настроен оптимистично.

«Этот проект основан на том, что Sandia делает в течение пяти лет» - сказал он. «Мы решали подобные проблемы в других ситуациях для правительства США». Например, «Деятельность в области интеллектуальных передовых исследовательских проектов» обратилась к Sandia, чтобы оценить результаты исполнителей в ее программе LogiQ, которая направлена на повышение точности квантовых вычислений. «Мы ожидаем, что сможем с определенной степенью надежности сказать: «Вот строительные блоки, которые вам необходимы для достижения цели » - сказал Блюм-Кохоут.

Квантовые и классические компьютеры встречаются

Как только компьютер будет создан группой Maunz и его надежность будет проверена командой Блюм-Кохоута, как он будет использоваться для вычислительных задач? Четырехлетний проект оптимизации, верификации и надежной работы Quantum Computers под руководством Sandia, стоимостью 7,8 млн. долл. США, призван дать ответ на этот вопрос. ЛАНЛ и Дартмутский колледж являются партнерами.

Руководитель проекта и физик Мохан Саровар ожидает, что первый квантовый компьютер, разработанный в Sandia, будет очень специализированным процессором, играющим роль, аналогичную той, которую играют графические процессоры в высокопроизводительных компьютерах. «Точно так же квантовый испытательный стенд будет хорош в выполнении некоторых специализированных вещей.

Он также будет «шумным» - сказал Саровар. «Мой вопрос к проекту: для чего вы можете использовать такие специализированные подразделения? Какие конкретные задачи они могут выполнять и как мы можем использовать их совместно со специализированными алгоритмами, соединяющими классические и квантовые компьютеры? » Команда намерена разработать классическое «промежуточное программное обеспечение», предназначенное для вычислительного использования испытательного стенда QSCOUT и аналогичных краткосрочных квантовых компьютеров.

«Хотя у нас есть отличные идеи о том, как использовать полностью разработанные, отказоустойчивые квантовые компьютеры, мы не совсем уверены в том, что в компьютерном отношении будут использоваться ограниченные устройства, которые мы ожидаем увидеть в ближайшем будущем» - сказал Саровар.

«Мы думаем, что они будут играть роль очень специализированного сопроцессора в более крупной, классической вычислительной среде». Проект направлен на разработку инструментов, эвристики и программного обеспечения для извлечения надежных, полезных ответов из этих краткосрочных квантовых сопроцессоров.

На пике

На самом теоретическом уровне команда теоретиков-физиков и компьютерщиков, возглавляемая исследователем Оджасом Парехом, разработала летний квантовый проект квантовой оптимизации, обучения и моделирования (QOALAS) под руководством Sandia, который разработал новый квантовый алгоритм для решения линейных систем уравнений. Одна из самых фундаментальных и повсеместных задач, стоящих перед наукой и техникой.

В трехлетний проект стоимостью 4,5 миллиона долларов, помимо Sandia, входят LANL, Университет Мэриленда и Caltech. «Наш алгоритм квантовых линейных систем, созданный в LANL, способен обеспечить экспоненциальное ускорение по сравнению с классическими алгоритмами в определенных условиях» - сказал Парех. Хотя подобные квантовые алгоритмы уже были известны для решения линейных систем, наш намного проще.

«Для многих проблем квантовой физики мы хотим знать, что является самым низким энергетическим состоянием? Понимание таких состояний может, например, помочь нам лучше понять, как работают материалы. Классические методы дискретной оптимизации, разработанные за последние 40 лет, могут быть использованы для аппроксимации таких состояний. Мы верим, что квантовая физика поможет нам получить лучшее или более быстрое продвижение ».

Команда работает над другими квантовыми алгоритмами, которые могут предложить экспоненциальное ускорение по сравнению с наиболее известными классическими алгоритмами. Например, если для классического алгоритма требуется 2100 шагов - в два раза больше, чем сто раз, или 1 267 650 600 228 229 421 496 703 205 376 шагов - для решения задачи, которая считается числом, превышающим все частицы во вселенной, то квант Алгоритм, обеспечивающий экспоненциальное ускорение, займет всего 100 шагов.

Экспоненциальное ускорение настолько велико, что может затмить такие практические проблемы, как чрезмерный шум. «Рано или поздно квант будет быстрее» - сказал Парех.