Das D-Wave-System ermöglicht es mir, wie ich es verstehe, Ising-Modelle zu programmieren und ihre Grundzustände zu finden. In dieser Form ist es nicht universell für die Quantenberechnung: Es kann keinen Schaltungsmodell-Quantencomputer simulieren.
Was wäre das Einfachste, was getan werden könnte, um es universell zu machen? Was sind die Gründe, warum so etwas nicht implementiert wurde?
Antworten:
XX-Koppler sind notwendig, um ein Quantenglühen universell zu machen.
https://arxiv.org/abs/0704.1287
Ich bin mit den Hardwareproblemen nicht allzu vertraut. Vielleicht kann jemand anderes das kommentieren.
In der akzeptierten Antwort heißt es, dass XX Koppler "notwendig" sind.
YY-Koppler würden jedoch auch die Arbeit erledigen. Dies liegt an dem in Abschnitt VI dieses Dokuments erläuterten YY-Gadget .
Eigentlich sogar das ursprüngliche Papier in der akzeptierten Antwort gegeben, so dass XZ auch gut genug sein würde (nicht nur XX). Aus diesem Grund sollte YZ auch gut genug sein, obwohl noch niemand das Gadget explizit konstruiert hat.
Von allen vier Optionen (XX, YY, XZ, YZ) für zusätzliche Koppler, die die Maschinen von D-Wave universell machen würden, wurde eine von D-Wave bereits in Hardware implementiert: der YY-Koppler.
Es wurde auf der AQC-Konferenz im Jahr 2018 vorgestellt:
Es gibt jedoch einige Einschränkungen bei der Steuerung dieser YY-Terme, und der physikalische Grund dafür ist hier Gegenstand meiner Frage: Warum muss im universellen Quantencomputer von D-Wave der YY-Term zusammen mit dem linearen X-Term gesteuert werden? ?
Was wäre das Einfachste, was getan werden könnte, um es universell zu machen?
Siehe US-Patent US9162881B2 "Physikalische Realisierungen eines universellen adiabatischen Quantencomputers" oder US-Anmeldung US20150111754A1 "Universelles adiabatisches Quantencomputing mit supraleitenden Qubits", das hier zitiert wird:
Definition: Basis In dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe "Basis" und "Basen" verwendet, um eine Menge bzw. Mengen linear unabhängiger Vektoren zu bezeichnen, die kombiniert werden können, um einen gegebenen Vektorraum vollständig zu beschreiben. Beispielsweise umfasst die Basis von räumlichen Standardkartenskoordinaten drei Vektoren, die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse. Fachleute der mathematischen Physik werden es zu schätzen wissen, dass Basen für Operatorräume definiert werden können, wie sie zur Beschreibung von Hamiltonianern verwendet werden.
Definition: Effektives Qubit In dieser Spezifikation und den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe "effektives Qubit" und "effektives Qubit" verwendet, um ein Quantensystem zu bezeichnen, das als zweistufiges System dargestellt werden kann. Fachleute werden erkennen, dass zwei spezifische Ebenen aus einem mehrstufigen Quantensystem isoliert und als effektives Qubit verwendet werden können. Darüber hinaus werden die Begriffe "effektives Qubit" und "effektive Qubits" verwendet, um ein Quantensystem zu bezeichnen, das eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen umfasst, die zur Darstellung eines einzelnen zweistufigen Systems verwendet werden können. Beispielsweise können mehrere einzelne Qubits so miteinander gekoppelt sein, dass der gesamte Satz oder ein Teil davon gekoppelter Qubits ein einzelnes zweistufiges System darstellt.
Ein Universal Quantum Computer (UQC) ist ein Quantencomputer, der in der Lage ist, jeden anderen Quantencomputer effizient zu simulieren. In einigen Ausführungsformen könnte ein universeller adiabatischer Quantencomputer (UAQC) jeden Quantencomputer durch adiabatische Quantenberechnung und / oder durch Quantenglühen simulieren. In einigen Ausführungsformen könnte ein UAQC ein physikalisches Quantensystem durch adiabatische Quantenberechnung und / oder durch Quantenglühen simulieren.
Es wurde festgestellt, dass lokale Gitterspin-Hamiltonianer für die universelle adiabatische Quantenberechnung verwendet werden können. Die verwendeten 2-lokalen Modell-Hamiltonianer sind jedoch allgemein und beschränken daher nicht die Arten von Wechselwirkungen, die zwischen Spins erforderlich sind, um bekannte Wechselwirkungen zu sein, die in einem Quantenprozessor realisiert werden können. Das 2-lokale Ising-Modell mit 1-lokalem Querfeld wurde unter Verwendung verschiedener Technologien realisiert.
Es wird angenommen, dass dieses Quantenspinmodell für die adiabatische Quantenberechnung nicht universell ist. Siehe Diskussion in S. Bravyi et al., 2006, arXiv: quant-ph / 0606140v4 oder Quant. Inf. Comp. 8, 0361 (2008). Es wurde jedoch gezeigt, dass die adiabatische Quantenberechnung universell gemacht werden kann und zur Quantum Merlin Arthur-Komplexitätsklasse gehört, einem Quantenanalogon der NP-Komplexitätsklasse, indem zusätzlich zu abstimmbarem 1 abstimmbare 2-lokale diagonale und nicht-diagonale Kopplungen vorliegen -lokale diagonale und nicht diagonale Vorspannungen .
Diagonale und nicht diagonale Terme können unter Bezugnahme auf die Berechnungsbasis definiert werden. Der Zustand eines Qubits kann einer von zwei Basiszuständen oder eine lineare Überlagerung der beiden Basiszustände sein. Die beiden Zustände bilden eine Berechnungsgrundlage.
Hinweis: Ausführliche Informationen finden Sie im Patent.
Was sind die Gründe, warum so etwas nicht implementiert wurde?
Aus: " Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schaltkreisen: eine Übersicht " von G. Wendin (8. Oktober 2017), auf Seite 77:
Die Maschinen von D-Wave Systems sind von oben nach unten gebaut - die Skalierung basiert auf Fluss-Qubits und Schaltkreisen mit kurzer Kohärenzzeit. Die Technologie basiert auf klassischen Nb-RSFQ-Schaltungen in Kombination mit Nb-HF-SQUID-Qubits und bildet die Basis der aktuellen D-Wave-Prozessoren. Die Architektur basiert auf einem Cross-Bar-Netzwerk von Kommunikationsbussen, die eine (begrenzte) Kopplung entfernter Qubits ermöglichen. Die Qubits werden durch Variieren der Gleichstromvorspannung, Ändern der Qubit-Energien und Qubit-Qubit-Kopplungen betrieben.
Infolgedessen müssen die Kohärenz- und Verschränkungseigenschaften untersucht werden, indem verschiedene Arten von Experimenten an den Maschinen und ihren Komponenten durchgeführt werden: Physikalische Experimente an der Hardware und „Benchmarking“ der Leistung durch Ausführen einer Reihe von QS-Schemata.
In den letzten drei Jahren hat sich das Thema rasant weiterentwickelt, und inzwischen wurde ein gewisses gemeinsames Verständnis und ein Konsens erreicht. Basierend auf der Diskussion in einigen neueren Veröffentlichungen kann die Situation folgendermaßen zusammengefasst werden:
• Das Verhalten der D-Wave-Maschinen stimmt mit dem Quantenglühen überein.
• Bisher wurde kein Skalierungsvorteil (Quantenbeschleunigung) festgestellt.
• QS ist effizient, um schnell gute Lösungen zu finden, solange die Barrieren eng sind, bleibt aber letztendlich hängen, sobald breite Barrieren auftreten
• Die Google D-Wave 2X-Ergebnisse, die eine millionenfache Beschleunigung anzeigen, gelten für native Instanzen, die perfekt zum Hardware-Diagramm des Geräts passen.
• Bei allgemeinen Problemen, die sich nicht gut auf die Hardware einer Qualitätssicherung übertragen lassen, leidet die Leistung erheblich.
• Für diese Probleme gibt es noch effizientere klassische Optimierungsalgorithmen, die das aktuelle D-Wave 2X-Gerät für die meisten Problemfälle übertreffen. Das Rennen ist jedoch eröffnet.
• Durch ein verbessertes Engineering, insbesondere ein schnelleres Tempern und Auslesen, kann die Zeit für die Durchführung eines Quantenglühlaufs gegenüber den QS-Geräten der aktuellen Generation um den Faktor 100 reduziert werden.
• Eine falsche Angabe der Kostenfunktion aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Kalibrierung ist jedoch eine Herausforderung, die die Leistung analoger QS-Geräte beeinträchtigen kann.
• Eine weitere Herausforderung ist die Einbettung von Problemen in die native Hardwarearchitektur mit eingeschränkter Konnektivität.
• Bei der analogen Qualitätssicherung ist die Frage der Quantenbeschleunigung offen.
• Die QS-Fehlerkorrektur wurde demonstriert und kann den Weg zu rauschgeschützten AQO-Geräten in großem Maßstab ebnen.
• In der Regel scheinen klassisch rechenintensive Probleme auch für QS-Geräte schwierige Probleme zu sein.
• Zur Demonstration der Quantengeschwindigkeit können eine verbesserte Maschinenkalibrierung, Rauschunterdrückung, Optimierung des QS-Zeitplans, größere Systemgrößen und maßgeschneiderte Spin-Glass-Probleme erforderlich sein. Was jedoch schwierig ist, ist möglicherweise nicht leicht zu beurteilen.
• Es bleibt abzuwarten, was das neueste D-Wave 2000Q-System mit 2000 Qubits kann.
Hinweis: Ausführliche Informationen finden Sie auf dem Papier.
Das Patent ist in seiner Erklärung etwas kryptischer:
Die simulierte Kopplung, die in FIG. 9 und FIG. 10 ermöglicht es, mehrere Kopplungstypen durch weniger tatsächliche Kopplertypen zu realisieren. Dies kann eine größere Vielseitigkeit in einem Quantenprozessor bieten, in dem die Architektur für bestimmte Kopplertypen am besten geeignet ist. Beispielsweise kann ein supraleitender Quantenprozessor, der aus irgendeinem Grund am besten geeignet ist, nur ZZ-Koppler und XX-Koppler zu implementieren, eine simulierte Kopplung durch Mediator-Qubits enthalten, um die Auswirkungen einer simulierten XZ- und ZX-Kopplung zu realisieren.
Fachleute werden erkennen, dass zum Zwecke der Realisierung der Qubit-Kopplungsarchitekturen, die in den vorliegenden Systemen, Verfahren und Vorrichtungen gelehrt werden, die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen von XX-, ZZ-, XZ- und ZX-Kopplern darstellen nicht einschränkende Beispiele für Kopplungsvorrichtungen. Alle in den vorliegenden Systemen, Verfahren und Vorrichtungen beschriebenen Kopplungsvorrichtungen können modifiziert werden, um den Anforderungen des spezifischen Systems, in dem sie implementiert sind, gerecht zu werden oder um eine spezifische Funktionalität bereitzustellen, die in einer bestimmten Anwendung vorteilhaft ist.
Die vorliegenden Systeme, Verfahren und Vorrichtungen beschreiben die physikalische Realisierung einer universellen adiabatischen Quantenberechnung durch Implementierung von mindestens zwei verschiedenen Kopplungsmechanismen in einer Prozessorarchitektur. Jeder Kopplungsmechanismus stellt eine Kopplung zwischen einer ersten und einer zweiten Basis bereit (zum Beispiel eine Kopplung zwischen X und X, X und Z oder Z und Z), wodurch eine "gekoppelte Basis" definiert wird (zum Beispiel XX, XZ oder ZZ). .In Übereinstimmung mit den vorliegenden Systemen, Verfahren und Vorrichtungen werden Qubit-Kopplungsarchitekturen verwendet, die jeweils mindestens zwei verschiedene gekoppelte Basen enthalten, wobei mindestens zwei verschiedene gekoppelte Basen nicht pendeln, um die Hamiltonianer für die universelle adiabatische Quantenberechnung zu realisieren. Beispielsweise lehren die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen, dass eine universelle adiabatische Quantenberechnung physikalisch durch die gleichzeitige Anwendung von nicht diagonalen Kopplern in einer Qubit-Kopplungsarchitektur realisiert werden kann . Fachleute werden erkennen, dass sich dieses Konzept auf Koppler erstrecken kann, die die Y-Basis enthalten, wie XY-, YX-, YY-, ZY- und YZ-Koppler.
Diese Spezifikation und die beigefügten Ansprüche beschreiben physikalische Implementierungen realisierbarer Hamiltonianer für universelle adiabatische Quantencomputer durch Demonstration universeller Qubit-Kopplungsarchitekturen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen universeller Kopplungsschemata haben ein gemeinsames Element, und zwar die Implementierung von mindestens zwei verschiedenen Sätzen von Kopplungsvorrichtungen zwischen Qubits, wobei die jeweiligen Basen, die durch die zwei verschiedenen Sätze von Kopplungsvorrichtungen gekoppelt sind, nicht pendeln. Fachleute werden erkennen, dass solche nicht pendelnden Koppler in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen und Implementierungen realisiert werden können und alle derartigen Ausführungsformen in dieser Beschreibung praktisch nicht offenbart werden können. Somit sind nur zwei physikalische Ausführungsformen, die XX-ZZ-Kopplungsarchitektur und die XZ-ZX-Kopplungsarchitektur, werden hier mit der Erkenntnis detailliert beschrieben, dass jeder Fachmann die Erweiterung auf jede Quantenprozessorarchitektur anerkennt, die nicht pendelnde Koppler implementiert. Darüber hinaus werden Fachleute dies zu schätzen wissenBestimmte Quantenalgorithmen oder Hardwareeinschränkungen können Mindestanforderungen an die Anzahl der effektiven Qubits im Quantenprozessor und / oder die Anzahl der Koppler stellen . Die vorliegenden Systeme, Verfahren und Vorrichtungen beschreiben die Verwendung von XX- und ZZ-Kopplern zur Simulation von XZ- und ZX-Kopplern sowie die Verwendung von XZ- und ZX-Kopplern zur Simulation von XX- und ZZ-Kopplern, wodurch bewiesen wird, dass ein Paar nicht pendelnder Koppler in Ein Quantenprozessor kann verwendet werden, um andere Kopplerschemata zu simulieren.
[ Mein Kommentar : Grundsätzlich gibt es nur so viel Platz; und Verbesserungen sind geplant.]
In der Anwendung ist es etwas weniger kryptisch:
Das Auslesen ist bei AQC wahrscheinlich schwieriger als bei GMQC. Innerhalb des letzteren Paradigmas werden alle Qubits am Ende einer Berechnung isoliert. Folglich kann man jedes Qubit in einem GMQC-Prozessor unabhängig lesen. Im Gegensatz dazu endet AQC mit der Bestätigung des Ziel-Hamilton-Operators. Wenn der Hamilton-Operator nicht diagonale Elemente enthält, kann das Auslesen für AQC eine Herausforderung darstellen. Wenn der Auslesevorgang das Zusammenfallen der Qubit-Register-Wellenfunktion erfordert, ist dieser Zustand kein Eigenzustand des Ziel-Hamilton-Operators mehr. Daher ist es wünschenswert, ein Verfahren zu entwickeln, um die Zustände aller Qubits in einem AQC-Prozessor bei Vorhandensein endlicher Vorspannungen und Kopplungen gleichzeitig zu projizieren .