1767035171
2025-12-29 17:36:00
Квантовые компьютеры обещают совершить революцию в вычислениях, решая проблемы, недоступные даже самым мощным классическим машинам, но создание этих машин представляет собой серьезные проблемы. Кан-Мин Ху, Мин Намкун и Хян-Таг Лим, работая над преодолением этих препятствий, демонстрируют путь к практическим квантовым вычислениям с использованием света. Их исследования сосредоточены на вариационном квантовом собственном решателе, мощном алгоритме, особенно подходящем для современного ограниченного квантового оборудования, и адаптируют его для реализации в фотонных системах. Этот подход использует уникальные преимущества фотонов, их способность работать при комнатной температуре и сохранять квантовую информацию в течение длительных периодов времени, чтобы создать более стабильную и масштабируемую платформу для решения сложных проблем в таких областях, как материаловедение и фундаментальная физика.
Разработка фотонного вариационного квантового алгоритма
Ученые активно разрабатывают вариационные квантовые алгоритмы (VQAs), в частности вариационный квантовый собственный решатель (VQE), чтобы использовать квантовые компьютеры ближайшего будущего для решения проблем, неразрешимых для классических компьютеров. Ключевым направлением являются фотонные квантовые вычисления, которые предлагают такие преимущества, как работа при комнатной температуре, потенциальная масштабируемость и способность генерировать сложные квантовые состояния. Исследования включают устранение ошибок, оптимизацию алгоритмов и исследование различных архитектур квантового оборудования. Фотонные квантовые вычисления используют такие технологии, как орбитальный угловой момент света для кодирования кубитов, интегрированную фотонику для создания масштабируемых процессоров и интерференцию Хонга-У-Манделя для управления кубитами.
VQA сочетает в себе классическую оптимизацию с квантовыми вычислениями, причем VQE используется для определения энергии основного состояния квантовых систем, что применимо к квантовой химии, материаловедению и открытию лекарств. Исследователи применяют VQA в различных областях, включая квантовую химию, материаловедение, разработку лекарств и оптимизацию квантовых батарей, а также квантовое моделирование и расчеты возбужденного состояния. Алгоритмические методы включают методы естественного градиента, ограниченное VQE, уменьшение ошибок и адаптивное VQE, все из которых направлены на повышение точности и эффективности. Остаются проблемы с масштабированием квантовых компьютеров при сохранении согласованности и точности, а также с разработкой производственных процессов для сложных квантовых схем. Исследования сосредоточены на многомерной запутанности с использованием орбитального углового момента, интегральных фотонных схем, квантовой информации Фишера для оптимизации измерений и устойчивых к ошибкам алгоритмов. Такие компании, как PsiQuantum и IBM Quantum, наряду с многочисленными академическими исследовательскими группами, вносят свой вклад в этот прогресс.
Фотонный VQE точно оценивает основные состояния молекул
Недавние исследования демонстрируют потенциал фотонных систем для практических квантовых вычислений за счет реализации вариационного квантового собственного решателя (VQE). Ученые успешно использовали VQE для оценки энергий основного состояния в задачах квантовой химии и физики многих тел, демонстрируя универсальность и точность алгоритма. Неотъемлемые преимущества фотонных платформ, включая работу при комнатной температуре и низкую декогерентность, способствуют их масштабируемости. Эксперименты включали моделирование VQE для таких молекул, как H2, HeH+ и LiH, с результатами, близко соответствующими теоретическим энергиям основного состояния.
Фотонный VQE продвигается к практическим квантовым вычислениям
Эта работа демонстрирует значительный прогресс в фотонной реализации вариационного квантового собственного решателя (VQE), устанавливая его потенциал для краткосрочных квантовых вычислений. Исследователи успешно применили фотонный VQE для решения задач, охватывающих квантовую химию, физику многих тел и факторизацию целых чисел, даже в присутствии шума, подтвердив его жизнеспособность в качестве многообещающего подхода для шумных квантовых устройств промежуточного масштаба (NISQ). Неотъемлемые преимущества фотонных систем, работа при комнатной температуре, низкая декогерентность и поддержка многомерного кодирования способствуют ее масштабируемости и пригодности для сложных квантовых сетей. Эти достижения позиционируют фотонный VQE как платформу со значительным потенциалом для практического применения, особенно в разработке новых молекул лекарств и открытии современных материалов для батарей. Кроме того, исследование выходит за рамки оценки энергии основного состояния и изучает методы расчета энергии возбужденного состояния, что имеет решающее значение для понимания фотохимических реакций и свойств оптических материалов. Признавая такие ограничения, как проблема бесплодного плато, эта работа представляет собой поворотный шаг в развитии квантовой информатики и технологий.
Фотонная реализация VQE
Ученые внедряют новые подходы к квантовым вычислениям, внедряя вариационный квантовый собственный решатель (VQE) в фотонных системах, устраняя ограничения, налагаемые шумными квантовыми устройствами промежуточного масштаба (NISQ). Они используют уникальные преимущества фотонных платформ для масштабируемых многомерных квантовых вычислений. Работа начинается с тщательного теоретического обзора структуры VQE с подробным описанием гамильтоновой аппроксимации, построения анзаца и группировки измерений Паули. Исследователи разработали методы группировки измерений Паули для оптимизации сбора данных и оптимизации вычислительного процесса.
Они также исследовали методы уменьшения ошибок, в частности экстраполяцию с нулевым шумом и уменьшение ошибок с помощью шума Паули, чтобы повысить устойчивость VQE в реалистичных экспериментальных условиях. Экспериментальные реализации фотонного VQE проводились в самых разных случаях: от квантовой химии и систем многих тел до целочисленной факторизации. Команда продемонстрировала, что фотонные системы эффективно реализуют небольшие VQE с небольшим количеством кубитов и, естественно, поддерживают реализации на основе кудитов, расширяя вычислительные возможности VQE.
#Вариационный #квантовый #собственный #решатель #позволяет #проводить #практические #квантовые #вычисления #на #устройствах #NISQ
Ещё по этой теме
