Två nya artiklar svarar på långvariga frågor om algoritmer på framtida kvantdatorer.
De senaste teoretiska genombrotten har väckt två långvariga frågor om genomförbarheten av att simulera kvantsystem på framtida kvantdatorer, och övervinna utmaningarna med komplexitetsanalys för att möjliggöra mer sofistikerade algoritmer. Arbetet från kvantteamet vid Los Alamos National Laboratory, som beskrivs i två publikationer, visar att de fysiska egenskaperna hos kvantsystem möjliggör snabba simuleringstekniker.
“Algorithmer baserade på detta arbete är avgörande för den första storskaliga demonstrationen av kvantsimulering på en kvantdator”, säger Rolando Soma, en Los Alamos kvantteoretiker och medförfattare till de två artiklarna.
Lågenergikvant avslöjar nyckeln till snabb kvantsimulering
Artikeln “Hamiltonian Simulation in Low Energy Subspace” visar att komplexiteten hos kvantsimuleringsalgoritmer beror på den relevanta energiskalan och inte på systemets hela spektrum av energier, som tidigare trodde. Faktum är att vissa kvantsystem kan ha tillstånd av oändlig energi, så simuleringar kommer att visa sig vara besvärliga även på stora kvantdatorer.
Denna nya studie fann att om ett kvantsystem endast utforskar lågenergitillstånd, kan det simuleras utan fel i krossningssimuleringar på en kvantdator med låg komplexitet.
“Vårt arbete ger en väg för en systematisk studie av de lågenergikvantsimuleringar som behövs för att föra kvantsimuleringar närmare verkligheten”, säger Burak, en teoretisk fysiker från Los Alamos och huvudförfattare till artikeln publicerad i tidskriften Sahinoglu. . , Quantum Information, en Nature Partner-tidskrift.
“Vi visar att du aldrig får slut på mycket stora energier vid varje steg i algoritmen,” sa Soma. “Det finns ett sätt att skriva din kvantalgoritm så att du fortfarande är i ditt lågenergiunderutrymme efter varje steg.”
Författarna sa att deras forskning är tillämplig på en stor klass av kvantsystem och skulle vara användbar för att simulera kvantfältsteorier, som beskriver fysiska fenomen inom deras lågenergitillstånd.
Snabbspolningen av kvantsystem kringgår principen om tids-energiosäkerhet.
Den andra artikeln, “Fast-Forwarding Quantum Evolution”, ett samarbete med Caltechs Shouzen Gu, en före detta student i Los Alamos Quantum Computer Summer School – publiceras i Quantum. Den visar tre kvantsystem där kvantsimuleringsalgoritmer kan fungera snabbare – och i vissa fall exponentiellt snabbare – än de gränser som föreslås av tids-energiosäkerhetsprincipen.
“Inom kvantmekaniken är den bästa noggrannheten som kan uppnås vid mätning av energiskalan i ett system normalt omvänt relaterad till mätperioden,” sa Soma.
“Denna princip gäller dock inte alla kvantsystem, särskilt de med vissa fysiska egenskaper,” sa Sahinoglu.
Författarna visade att om denna princip kringgås kan sådana kvantsystem utföras mycket effektivt, eller snabbt, på kvantdatorer.