```html
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Szerzők: 
 
 
 
 
 
 
 Almudena Carrera Vazquez Caroline Tornow Diego Ristè Stefan Woerner Maika Takita Daniel J. Egger Összefoglalás A kvantumszámítógépek a kvantummechanika törvényei szerint dolgozzák fel az információt. A jelenlegi kvantum hardver zajos, az információt csak rövid ideig tudja tárolni, és csak kevés kvantumbitre, azaz qubitle korlátozódik, amelyek tipikusan sík kapcsolatban vannak elrendezve . Azonban a kvantumszámítás sok alkalmazása több kapcsolódást igényel, mint amit a hardver által kínált sík rács kínál több qubittal, mint ami egyetlen kvantumfeldolgozó egységen (QPU) rendelkezésre áll. A közösség reméli, hogy ezeket a korlátokat a QPU-k klasszikus kommunikációval történő összekapcsolásával tudják leküzdeni, ami még nem bizonyított kísérletileg. Itt kísérletileg valósítunk meg hibajavított dinamikus áramköröket és áramköri vágásokat olyan kvantumállapotok létrehozásához, amelyek periodikus kapcsolódást igényelnek legfeljebb 142 qubittel, amelyek két 127 qubites QPU-n oszlanak el, és valós időben vannak összekapcsolva klasszikus linkkel. Dinamikus áramkörben a kvantumkapuk klasszikusan vezérelhetők a félidei mérések kimenetele alapján futásidőn belül, azaz a qubitek koherenciaidejének töredékén belül. Valós idejű klasszikus linkünk lehetővé teszi számunkra, hogy egy QPU-n kvantumkaput alkalmazzunk, amely egy másik QPU-n végzett mérés eredményétől függ. Továbbá, a hibajavított vezérlési folyamat növeli a qubitek kapcsolódását és a hardver utasításkészletét, ezáltal növelve kvantumszámítógépeink sokoldalúságát. Munkánk azt mutatja, hogy több kvantumprocesszort használhatunk egyként, hibajavított dinamikus áramkörökkel, amelyeket valós idejű klasszikus link tesz lehetővé. 1 Fő A kvantumszámítógépek az egységes műveleteken kódolt információt dolgozzák fel kvantumbitekben. Azonban a kvantumszámítógépek zajosak, és a legtöbb nagyméretű architektúra a fizikai qubiteket sík rácsban rendezi el. Mindazonáltal a hibajavítással rendelkező jelenlegi processzorok már képesek szimulálni a hardver-natív Ising modelleket 127 qubittel, és olyan mértékben mérni a megfigyelhetőket, ahol a klasszikus számítógépekkel végzett brute-force megközelítések kezdenek nehézségekbe ütközni . A kvantumszámítógépek hasznossága a további skálázástól és a korlátozott qubites kapcsolódás leküzdésétől függ. A moduláris megközelítés fontos a jelenlegi zajos kvantumprocesszorok skálázásához  és a hibatűréshez szükséges nagy számú fizikai qubit eléréséhez . A csapdába esett ion- és semleges atomarchitektúrák a qubitek fizikai szállításával érhetik el a modularitást , . Rövid távon a szupravezető qubitek modularitása  a szomszédos chipeket összekötő rövid hatótávolságú összeköttetésekkel érhető el , . 1 2 3 4 5 6 7 8 Középtávon a mikrohullámú tartományban működő hosszú hatótávolságú kapuk hosszú hagyományos kábeleken keresztül valósíthatók meg , , . Ez lehetővé tenné a nem sík qubites kapcsolódást, amely alkalmas a hatékony hibakorrekcióra . Hosszú távú alternatíva a távoli QPU-k optikai linkkel való összefűzése, amely mikrohullámú-optikai transzdukciót  használ, ami tudomásunk szerint még nem lett demonstrálva. Továbbá, a dinamikus áramkörök kibővítik a kvantumszámítógép műveleteinek körét a félidei mérések (MCM-ek) végrehajtásával és a kapuk klasszikus vezérlésével a qubitek koherenciaidején belül. Javítják az algoritmikus minőséget  és a qubites kapcsolódást . Amint azt bemutatjuk, a dinamikus áramkörök modularitást is lehetővé tesznek a QPU-k valós idejű összekapcsolásával egy klasszikus link segítségével. 9 10 11 3 12 13 14 Egy kiegészítő megközelítést alkalmazunk virtuális kapukon alapulva a hosszú hatótávolságú kölcsönhatások megvalósítására egy moduláris architektúrában. Tetszőleges helyeken lévő qubiteket kapcsolunk össze, és az összefonódás statisztikáját kvázi-valószínűségi felbontással (QPD) , ,  hozzuk létre. Összehasonlítunk egy kizárólag Helyi Műveleteket (LO) használó sémát  egy Klasszikus Kommunikációval (LOCC) kiegészített sémával . A kizárólag LO sémát, amelyet egy kétqubites beállításban  demonstráltunk, csak helyi műveleteket tartalmazó több kvantumáramkör végrehajtását igényli. Ezzel szemben az LOCC megvalósításához virtuális Bell-párokat használunk fel egy teleportációs áramkörben kétqubites kapuk létrehozására , . A ritka és sík kapcsolódású kvantum hardveren a tetszőleges qubitek közötti Bell-pár létrehozása hosszú hatótávolságú vezérlő-NEM (CNOT) kaput igényel. Ezeknek a kapuknak az elkerülése érdekében helyi műveleteken alapuló QPD-t használunk, ami vágott Bell-párokat eredményez, amelyeket a teleportáció felhasznál. A LO nem igényli a klasszikus linket, ezért egyszerűbb megvalósítani, mint az LOCC-t. Azonban, mivel az LOCC csak egyetlen paraméterezett sablonáramkört igényel, hatékonyabban fordítható le, mint az LO, és a QPD költsége alacsonyabb, mint az LO séma költsége. 15 16 17 16 17 18 19 20 Munkánk négy fő hozzájárulást tartalmaz. Először bemutatjuk a kvantumáramköröket és a QPD-t több vágott Bell-pár létrehozásához, hogy megvalósítsuk a 17. hivatkozásban szereplő virtuális kapukat . Másodszor, elnyomjuk és mérsékeljük a dinamikus áramkörökben a klasszikus vezérlő hardver késleltetéséből származó hibákat  a dinamikus leválasztás és a nulla-zaj extrapoláció kombinációjával . Harmadszor, ezeket a módszereket használjuk fel egy 103 csomópontos gráfállapot periodikus peremszimulációjának megtervezésére. Negyedszer, bemutatunk egy valós idejű klasszikus kapcsolatot két különálló QPU között, ezáltal demonstrálva, hogy a disztribúciós QPU-k rendszere egyként működtethető egy klasszikus link segítségével . A dinamikus áramkörökkel kombinálva ez lehetővé teszi számunkra, hogy mindkét chipet egyetlen kvantumszámítógépként működtessük, amit példaként egy periodikus gráfállapot tervezésével mutatunk be, amely 142 qubiten keresztül terjed mindkét eszközön. Megbeszéljük a hosszú hatótávolságú kapuk létrehozásának útját, és megadjuk a következtetésünket. 17 21 22 23 Áramköri vágás Nagy kvantumáramköröket futtatunk, amelyek korlátozott qubit számuk vagy kapcsolódásuk miatt nem futtathatók közvetlenül a hardveren, azáltal, hogy kapukat vágunk. Az áramköri vágás egy komplex áramkört al-áramkörökre bont, amelyek egyenként végrehajthatók , , , , , . Azonban megnövekedett számú áramkört kell futtatnunk, amit mintavételi túlterhelésnek nevezünk. Az al-áramkörök eredményeit ezután klasszikusan kombináljuk, hogy megkapjuk az eredeti áramkör eredményét (a Módszerek szakaszt ). 15 16 17 24 25 26 Sec6 Mivel munkánk egyik fő hozzájárulása a virtuális kapuk LOCC-val történő megvalósítása, megmutatjuk, hogyan hozhatók létre a szükséges vágott Bell-párok helyi műveletekkel. Itt több vágott Bell-párt paraméterezett kvantumáramkörökkel tervezünk, amelyeket vágott Bell-pár gyárnak nevezünk (1. ábra ). Több pár egyidejű vágása alacsonyabb mintavételi túlterhelést igényel . Mivel a vágott Bell-pár gyár két diszjunkt kvantumáramkört alkot, az al-áramkört közel helyezzük el a hosszú hatótávolságú kapukkal rendelkező qubitekhez. A keletkezett erőforrást ezután egy teleportációs áramkörben használjuk fel. Például az 1. ábra  esetén a vágott Bell-párokat CNOT kapuk létrehozására használjuk a (0, 1) és (2, 3) qubiteken (lásd a „Vágott Bell-pár gyárak” szakaszt ). 1b,c 17 1b Sec11   , Egy IBM Quantum System Two architektúra ábrázolása. Itt két 127 qubites Eagle QPU van összekapcsolva valós idejű klasszikus linkkel. Minden QPU-t a saját elektronikája vezérel a rackben. Szorosan szinkronizáljuk mindkét racket, hogy mindkét QPU-t egyként működtessük.  , Sablon kvantumáramkör virtuális CNOT kapuk megvalósításához a (q0, q1) és (q2, q3) qubitek párjain LOCC segítségével, vágott Bell-párokat felhasználva egy teleportációs áramkörben. A lila kettős vonalak a valós idejű klasszikus linket jelölik.  , Vágott Bell-pár gyárak C2( ) két egyidejűleg vágott Bell-pár számára. A QPD-nek összesen 27 különböző paraméterkészlete   van. Itt, . a b c θ i θ i Periodikus peremfeltételek Egy gráfállapotot |G⟩ építünk fel periodikus peremfeltételekkel az ibm_kyiv-en, egy Eagle processzoron , túllépve annak fizikai kapcsolódási korlátait (lásd a „Gráfállapotok” szakaszt ). Itt, G 103 csomóponttal rendelkezik, és négy hosszú hatótávolságú élt igényel Elr = {(1, 95), (2, 98), (6, 102), (7, 97)}, az Eagle processzor felső és alsó qubitekjei között (2. ábra ). Mérjük a csomópont stabilizátorokat Si minden csomópontban i ∈ V és az éleket alkotó élstabilizátorokat SiSj minden él mentén (i, j) ∈ E. Ezekből a stabilizátorokból építünk egy összefonódási tanút , amely negatív, ha van bipartit összefonódás az él mentén (i, j) ∈ E (ref. 27 ) (lásd a „Összefonódási tanú” szakaszt ). A bipartit összefonódásra összpontosítunk, mert ez az az erőforrás, amelyet virtuális kapukkal szeretnénk újra létrehozni. Több mint két fél közötti összefonódás tanúinak mérése csak a nem-virtuális kapuk és mérések minőségét mérné, így a virtuális kapuk hatása kevésbé lenne nyilvánvaló. 1 Sec13 2a 27 Sec14   , A nehéz-hexagonális gráf önmagába hajtogatva csőszerű formává a (1, 95), (2, 98), (6, 102) és (7, 97) élek által, kékkel kiemelve. Ezeket az éleket vágjuk.  , A csomópont stabilizátorok Sj (felül) és a tanúk , (alul), 1 szórás eltéréssel a csomópontok és élek esetében, közel a hosszú hatótávolságú élekhez. A függőleges pontozott vonalak a stabilizátorokat és tanúkat a vágott élektől való távolságuk szerint csoportosítják.  , A stabilizátor hibák kumulatív eloszlásfüggvénye. A csillagok jelölik azokat a csomópont stabilizátorokat Sj, amelyekhez egy hosszú hatótávolságú kapu implementálása tartozik. A dobott él benchmarkban (piros pontozott vonal) a hosszú hatótávolságú kapuk nincsenek implementálva, és a csillaggal jelölt stabilizátorok egységnyi hibával rendelkeznek. A szürke terület a vágások által érintett csomópont stabilizátorok valószínűségi tömege.  – , A kétdimenziós elrendezésekben a zöld csomópontok megkettőzik a 95, 98, 102 és 97 csomópontokat a vágott élek bemutatására. Az   pontban lévő kék csomópontok a vágott Bell párok létrehozásához szükséges qubites erőforrások. A csomópont színe i az abszolút hiba ∣Si − 1∣ a mért stabilizátor, amit a színskála jelez. Egy él fekete, ha az összefonódás statisztikája 99%-os konfidenciaszinten kimutatható, és lila, ha nem.  -ban a hosszú hatótávolságú kapuk SWAP kapukkal vannak implementálva.  -ban ugyanazok a kapuk LOCC-val vannak implementálva.  -ban pedig egyáltalán nincsenek implementálva. a b c d f e d e f A |G⟩ állapotot három különböző módszerrel készítjük elő. A hardver-natív élek mindig CNOT kapukkal vannak implementálva, de a periodikus peremfeltételek (1) SWAP kapukkal, (2) LOCC-val és (3) LO-val vannak implementálva az egész rácsot lefedő qubitek összekapcsolására. Az LOCC és az LO közötti fő különbség egy feed-forward művelet, amely egyetlen qubites kapukból áll, amelyek 2n mérési eredménytől függnek, ahol n a vágások száma. Mind a 22n eset egyedi X és/vagy Z kapu kombinációt indít el a megfelelő qubiteken. A mérési eredmények beszerzése, a megfelelő eset meghatározása és az alapján történő cselekvés valós időben történik a vezérlő hardveren, fix hozzáadott késleltetés árán. A késleltetésből származó hibákat nulla-zaj extrapolációval  és eltolt dinamikus leválasztással ,  (lásd a „Hibajavított kvantumáramkör kapcsolási utasítások” szakaszt ) mérsékeljük és elnyomjuk. 22 21 28 Sec10 A |G⟩ SWAP, LOCC és LO implementációit a G′=(V, E′) hardver-natív gráfállapotával hasonlítjuk össze, amelyet a hosszú hatótávolságú kapuk eltávolításával kapunk, azaz E′=EE . Az |G′⟩ előkészítő áramkör így csak 112 CNOT kaput igényel, amelyek három rétegben vannak elrendezve az Eagle processzor nehéz-hexagonális topológiáját követve. Ez az áramkör nagy hibákat fog jelenteni a |G⟩ csomópont- és élstabilizátorok mérésekor egy vágott kapun lévő csomópontok esetében, mivel az |G′⟩ implementálására tervezték. Ezt a hardver-natív benchmarkot „dobott él” benchmarknak nevezzük. A swap-alapú áramkör további 262 CNOT kaput igényel az Elr hosszú hatótávolságú élek létrehozásához, ami drasztikusan csökkenti a mért stabilizátorok értékét (2. ábra ). Ezzel szemben az Elr élek LOCC és LO implementációja nem igényel SWAP kapukat. Csomópont- és élstabilizátoraik hibái a nem vágott kaput érintő csomópontok esetében szorosan követik a dobott él benchmarkot (2. ábra ). Éppen ellenkezőleg, a virtuális kaput magukban foglaló stabilizátorok hibája alacsonyabb, mint a dobott él benchmark és a swap implementációja (2. ábra , csillag jelölések). Általános minőségi mutatóként először a csomópont stabilizátorokra vonatkozó abszolút hibák összegét jelentjük, azaz ∑ ∈ ∣  − 1∣ (Kiterjesztett adatok 1. táblázata ). A nagy SWAP túlterhelés felelős a 44.3 abszolút hibaösszegért. A dobott él benchmarkon található 13.1 hiba a négy vágáson lévő nyolc csomópontot terheli (2. ábra , csillag jelölések). Ezzel szemben az LO és LOCC hibákat az MCM-ek befolyásolják. Az LOCC 1.9-es többlethibáját az időbeli késéseknek és a teleportációs áramkörben lévő CNOT kapuknak és a vágott Bell pároknak tulajdonítjuk. A SWAP-alapú eredményekben a 99%-os konfidenciaszinten 116 él közül 35-nél nem detektál összefonódást (2. ábra ). Az LO és LOCC implementáció esetén a tanúk az összefonódás statisztikáját észlelik minden élen G 99%-os konfidenciaszinten (2. ábra ). Ezek a mutatók azt mutatják, hogy a virtuális hosszú hatótávolságú kapuk kisebb hibájú stabilizátorokat produkálnak, mint a SWAP-okba való felbontásuk. Ezenkívül elég alacsonyan tartják a varianciát az összefonódás statisztikájának ellenőrzéséhez. lr 2b–d 2b,c 2c i V Si Tab1 2c 2b,d 2e Két QPU egyként való működtetése Most két 127 qubites Eagle QPU-t kapcsolunk össze egyetlen QPU-vá valós idejű klasszikus kapcsolaton keresztül. Az eszközök egyetlen, nagyobb processzorként való működtetése magában foglalja az összesített qubites regisztert átfogó kvantumáramkörök végrehajtását. Az egységes kapuk és mérések mellett, amelyek párhuzamosan futnak az egyesített QPU-n, dinamikus áramköröket használunk olyan kapuk végrehajtására, amelyek mindkét eszközön lévő qubitekre hatnak. Ezt szoros szinkronizálás és gyors klasszikus kommunikáció teszi lehetővé a fizikailag különálló műszerek között, amelyek szükségesek a mérési eredmények összegyűjtéséhez és a vezérlési folyamat meghatározásához az egész rendszerben . 29 Ezt a valós idejű klasszikus kapcsolatot egy 134 qubites gráfállapot tervezésével teszteljük, amely nehéz-hexagonális gyűrűkből épül fel, és mindkét QPU-n keresztül fut (3. ábra ). Ezeket a gyűrűket úgy választottuk ki, hogy kizártuk a kétszintű rendszerekkel és leolvasási problémákkal sújtott qubiteket, hogy kiváló minőségű gráfállapotot biztosítsunk. Ez a gráf három dimenzióban képez egy gyűrűt, és négy hosszú hatótávolságú kaput igényel, amelyeket LO és LOCC segítségével valósítunk meg. Mint korábban, az LOCC protokoll így két további qubites igényel minden vágott kapuhoz a vágott Bell párokhoz. Mint az előző szakaszban, eredményeinket egy olyan gráfhoz hasonlítjuk, amely nem valósítja meg a két QPU-t összekötő éleket. Mivel nincs kvantumkapcsolat a két eszköz között, a SWAP kapukkal történő összehasonlítás lehetetlen. Minden él kimutatja a bipartit összefonódás statisztikáját, amikor a gráfot LO és LOCC segítségével 99%-os konfidenciaszinten valósítjuk meg. Továbbá, az LO és LOCC stabilizátorok minősége megegyezik a dobott él benchmarkéval a hosszú hatótávolságú kaput nem érintő csomópontok esetében (3. ábra ). A hosszú hatótávolságú kapukat érintő stabilizátorok hibája nagy csökkenést mutat a dobott él benchmarkhoz képest. A csomópont stabilizátorok abszolút hibáinak összege ∑ ∈ ∣  − 1∣ 21.0, 19.2 és 12.6 a dobott él benchmark, az 3 3c i V Si

Part of HackerNoon's growing list of open-source research papers, promoting free access to academic material.

Ez a hanganyag a történet eredeti nyelvén készült!

IBM Quantum Áttörés: Valós idejű chipek összekapcsolása a qubitek teljesítményének bővítése érdekében

About Author

HOZZÁSZÓLÁSOK

HANG TAGOK

EZT A CIKKET BEMUTATTA

Related Stories

A SECOND ENIGMA

Of The First and Last Things: Part 1

Találkozz Hubstaff: HackerNoon a hét társasága

Hubble Protocol, a DeFi project on Solana Raises $10 Million Led By Crypto.com Capital, DCG and CMS

A SECOND ENIGMA

Of The First and Last Things: Part 1

Találkozz Hubstaff: HackerNoon a hét társasága

Hubble Protocol, a DeFi project on Solana Raises $10 Million Led By Crypto.com Capital, DCG and CMS

Light-Mode

Classic

Newspaper

Minty

Dark-Mode

Neon Noir

Minty

HN StartUps