El sistema D-Wave, según tengo entendido, nos permite programar modelos Ising y encontrar sus estados fundamentales. De esta forma, no es universal para la computación cuántica: no puede simular una computadora cuántica modelo de circuito.
¿Cuál sería la cosa más simple que se podría hacer para que sea universal? ¿Cuáles son las razones por las cuales tal cosa no se ha implementado?
Respuestas:
Los acopladores XX son necesarios para hacer un recocido cuántico universal.
https://arxiv.org/abs/0704.1287
En cuanto a su fabricación, no estoy muy familiarizado con los problemas de hardware. Quizás alguien más pueda comentar sobre eso.
En la respuesta aceptada, se dice que los acopladores XX son "necesarios".
Sin embargo, los acopladores YY también harían el trabajo. Esto se debe al dispositivo AA explicado en la sección VI de este documento .
En realidad, incluso el documento original que figura en la respuesta aceptada dice que XZ también sería lo suficientemente bueno (no solo XX). Por esa razón, YZ también debería ser lo suficientemente bueno, aunque todavía nadie ha construido explícitamente el dispositivo.
De las cuatro opciones (XX, YY, XZ, YZ) para acopladores adicionales que harían universales a las máquinas de D-Wave, una de ellas ya ha sido implementada en hardware por D-Wave: el acoplador YY.
Fue presentado en la conferencia AQC en 2018:
Sin embargo, existen algunas restricciones en el control de estos términos YY, y la razón física de esto es el tema de mi pregunta aquí: en la computadora cuántica universal de D-Wave, ¿por qué el término YY tiene que ser manejado junto con el término X lineal? ?
¿Cuál sería la cosa más simple que se podría hacer para que sea universal?
Consulte la Patente de los Estados Unidos US9162881B2 "Realizaciones físicas de una computadora cuántica adiabática universal" o la Solicitud de los Estados Unidos US20150111754A1 "Computación cuántica adiabática universal con qubits superconductores" que se cita aquí:
Definición: Base A lo largo de esta especificación y las reivindicaciones adjuntas, los términos "base" y "bases" se usan para denotar un conjunto o conjuntos, respectivamente, de vectores linealmente independientes que pueden combinarse para describir completamente un espacio vectorial dado. Por ejemplo, la base de las coordenadas cartesianas espaciales estándar comprende tres vectores, el eje x, el eje y y el eje z. Los expertos en física matemática apreciarán que las bases pueden definirse para espacios de operadores, como los que se usan para describir a los hamiltonianos.
Definición: Qubit efectivo A lo largo de esta especificación y las reivindicaciones adjuntas, los términos “qubit efectivo” y “qubit efectivo” se usan para denotar un sistema cuántico que puede representarse como un sistema de dos niveles. Los expertos en la técnica relevante apreciarán que dos niveles específicos pueden aislarse de un sistema cuántico multinivel y usarse como un qubit efectivo. Además, los términos "qubit efectivo" y "qubit efectivo" se usan para denotar un sistema cuántico que comprende cualquier número de dispositivos que se pueden usar para representar un solo sistema de dos niveles. Por ejemplo, una pluralidad de qubits individuales se pueden acoplar juntos de tal manera que todo el conjunto, o una parte del mismo, de qubits acoplados represente un único sistema de dos niveles.
Una computadora cuántica universal (UQC) es una computadora cuántica que es capaz de simular eficientemente cualquier otra computadora cuántica. En algunas realizaciones, una Computadora Cuántica Adiabática Universal (UAQC) podría simular cualquier computadora cuántica mediante computación cuántica adiabática y / o mediante recocido cuántico. En algunas realizaciones, un UAQC podría simular un sistema cuántico físico a través del cálculo cuántico adiabático y / o mediante recocido cuántico.
Se ha establecido que los hamiltonianos de espín reticular local pueden usarse para el cálculo cuántico adiabático universal. Sin embargo, el modelo 2-local utilizado por los hamiltonianos es general y, por lo tanto, no limita los tipos de interacciones requeridas entre giros para ser interacciones conocidas que pueden realizarse en un procesador cuántico. El modelo Ising 2-local con campo transversal 1-local se ha realizado utilizando diferentes tecnologías.
Se cree que este modelo de espín cuántico es poco probable que sea universal para la computación cuántica adiabática. Ver discusión en S. Bravyi et al., 2006 arXiv: quant-ph / 0606140v4 o Quant. Inf. Comp. 8, 0361 (2008). Sin embargo, se ha demostrado que el cómputo cuántico adiabático puede volverse universal y pertenece a la clase de complejidad Quantum Merlin Arthur, un análogo cuántico de la clase de complejidad NP, al tener acoplamientos ajustables 2-diagonales locales y no diagonales además de ajustables 1 - sesgos diagonales y no diagonales locales .
Los términos diagonales y fuera de diagonal se pueden definir con referencia a la base computacional. El estado de un qubit puede ser uno de dos estados básicos o una superposición lineal de los dos estados básicos. Los dos estados forman una base computacional.
Nota: Consulte la Patente para obtener detalles completos.
¿Cuáles son las razones por las cuales tal cosa no se ha implementado?
De: " Procesamiento de información cuántica con circuitos superconductores: una revisión " por G. Wendin (8 de octubre de 2017), en la página 77:
Las máquinas de D-Wave Systems están construidas de arriba hacia abajo: la ampliación se basa en qubits de flujo y circuitos con un tiempo de coherencia corto. La tecnología se basa en los circuitos clásicos Nb RSFQ combinados con los qubits Nb rf-SQUID, y forma la base de los procesadores D-Wave actuales. La arquitectura se basa en una red de barras cruzadas de buses de comunicación que permite el acoplamiento (limitado) de qubits distantes. Los qubits se operan variando la polarización dc, cambiando las energías qubit y los acoplamientos qubit qubit.
Como resultado, las propiedades de coherencia y entrelazamiento deben investigarse mediante la realización de varios tipos de experimentos en las máquinas y sus componentes: experimentos de física en el hardware y "evaluación comparativa" del rendimiento ejecutando una gama de esquemas de control de calidad.
Durante los últimos tres años, el tema ha evolucionado rápidamente, y ahora se ha alcanzado un cierto entendimiento y consenso común. Según la discusión en algunos documentos recientes, la situación se puede resumir de la siguiente manera:
• El comportamiento de las máquinas D-Wave es consistente con el recocido cuántico.
• Hasta ahora no se ha visto ninguna ventaja de escala (aceleración cuántica).
• El control de calidad es eficiente en la búsqueda rápida de buenas soluciones siempre que las barreras sean estrechas, pero finalmente se atasca una vez que se encuentran barreras amplias
• Los resultados de Google D-Wave 2X que muestran una aceleración de millones de veces son para instancias nativas que se ajustan perfectamente al gráfico de hardware del dispositivo.
• Para problemas genéricos que no se asignan bien al hardware de un control de calidad, el rendimiento se verá afectado significativamente.
• Existen algoritmos de optimización clásicos aún más eficientes para estos problemas, que superan al dispositivo D-Wave 2X actual para la mayoría de las instancias de problemas. Sin embargo, la carrera está en marcha.
• Con una ingeniería mejorada, especialmente el recocido y la lectura más rápidos, el tiempo para realizar una ejecución de recocido cuántico se puede reducir en un factor de 100 veces sobre los dispositivos de control de calidad de la generación actual.
• Sin embargo, la especificación errónea de la función de costo debido a imprecisiones de calibración es un desafío que puede dificultar el rendimiento de los dispositivos de control de calidad analógicos.
• Otro desafío es incorporar problemas en la arquitectura de hardware nativa con conectividad limitada.
• Existe la cuestión abierta de la aceleración cuántica en el control de calidad analógico.
• Se ha demostrado la corrección de errores de QA y puede allanar el camino hacia dispositivos AQO protegidos contra el ruido a gran escala.
• Por lo general, los problemas clásicos computacionalmente difíciles también parecen ser problemas difíciles para los dispositivos de control de calidad.
• Es posible que se necesite una calibración mejorada de la máquina, reducción de ruido, optimización del programa de control de calidad, sistemas de mayor tamaño y problemas de vidrio giratorio a medida para demostrar la aceleración cuántica. Sin embargo, lo que es difícil puede no ser fácil de juzgar.
• Queda por ver qué puede hacer el nuevo sistema D-Wave 2000Q con 2000 qubits.
Nota: Consulte el documento para obtener detalles completos.
La patente es algo más críptica en su explicación:
El acoplamiento simulado descrito en la FIG. 9 y la fig. 10 permite realizar múltiples tipos de acoplamiento con menos tipos de acopladores reales. Esto puede proporcionar una mayor versatilidad en un procesador cuántico donde la arquitectura es la más adecuada para tipos específicos de acopladores. Por ejemplo, un procesador cuántico superconductor que, por cualquier razón, sea el más adecuado para implementar solo acopladores ZZ y XX puede incorporar acoplamiento simulado a través de qubits mediadores para darse cuenta de los efectos del acoplamiento XZ y ZX simulado.
Los expertos en la materia apreciarán que, a los efectos de realizar las arquitecturas de acoplamiento qubit enseñadas en los presentes sistemas, métodos y aparatos, las diversas realizaciones de los acopladores XX, ZZ, XZ y ZX descritos en este documento representan ejemplos no limitativos de dispositivos de acoplamiento. Todos los dispositivos de acoplamiento descritos en los presentes sistemas, métodos y aparatos pueden modificarse para acomodar los requisitos del sistema específico en el que se están implementando, o para proporcionar una funcionalidad específica que sea ventajosa en una aplicación particular.
Los sistemas, métodos y aparatos actuales describen la realización física de la computación cuántica adiabática universal mediante la implementación de al menos dos mecanismos de acoplamiento diferentes en una arquitectura de procesador. Cada mecanismo de acoplamiento proporciona acoplamiento entre una primera y una segunda base (por ejemplo, acoplamiento entre X y X, X y Z, o Z y Z), definiendo así una "base acoplada" (por ejemplo, XX, XZ o ZZ) .De acuerdo con los sistemas, métodos y aparatos actuales, las arquitecturas de acoplamiento qubit que incluyen al menos dos bases acopladas diferentes, donde al menos dos bases acopladas diferentes no se conmutan, se utilizan para realizar los Hamiltonianos para el cálculo cuántico adiabático universal. Por ejemplo, las diversas realizaciones descritas en el presente documento enseñan que el cálculo cuántico adiabático universal puede realizarse físicamente mediante la aplicación simultánea de acopladores fuera de diagonal en arquitecturas de acoplamiento qubit . Los expertos en la materia apreciarán que este concepto puede extenderse a los acopladores que incluyen la base Y, como los acopladores XY, YX, YY, ZY e YZ.
Esta especificación y las reivindicaciones adjuntas describen implementaciones físicas de Hamiltonianos realizables para computadoras cuánticas adiabáticas universales demostrando arquitecturas universales de acoplamiento qubit. Hay un elemento común a las realizaciones de los esquemas de acoplamiento universales descritos en este documento, y es la implementación de al menos dos conjuntos diferentes de dispositivos de acoplamiento entre qubits, donde las bases respectivas acopladas por los dos conjuntos diferentes de dispositivos de acoplamiento no se conmutan. Los expertos en la materia apreciarán que tales acopladores que no se desplazan pueden realizarse en una variedad de realizaciones e implementaciones diferentes y todas estas realizaciones no se pueden divulgar prácticamente en esta especificación. Por lo tanto, solo dos realizaciones físicas, la arquitectura de acoplamiento XX-ZZ y la arquitectura de acoplamiento XZ-ZX, se detallan en este documento con el reconocimiento de que cualquier persona experta en la técnica relevante reconocerá la extensión a cualquier arquitectura de procesador cuántico que implemente acopladores no conmutadores. Además, los expertos en la materia apreciarán queCiertos algoritmos cuánticos o restricciones de hardware pueden imponer requisitos mínimos sobre el número de qubits efectivos en el procesador cuántico y / o el número de acopladores . Los sistemas, métodos y aparatos actuales describen el uso de acopladores XX y ZZ para simular acopladores XZ y ZX, así como el uso de acopladores XZ y ZX para simular acopladores XX y ZZ, lo que demuestra que un par de acopladores no conmutadores en Se puede usar un procesador cuántico para simular otros esquemas de acoplador.
[ Mi comentario : Básicamente, solo hay mucho espacio; y se planean mejoras.]
En la aplicación es un poco menos críptico:
[0129] La lectura es probablemente más desafiante en AQC que en GMQC. Dentro del último paradigma, todos los qubits se aíslan al final de un cálculo. En consecuencia, uno puede leer de forma independiente cada qubit en un procesador GMQC. Por el contrario, AQC termina con la afirmación del hamiltoniano objetivo. Cuando el Hamiltoniano contiene elementos fuera de la diagonal, leer para AQC puede presentar un desafío. Si el proceso de lectura requiere que la función de onda del registro qubit se colapse, entonces ese estado ya no será un estado propio del Hamiltoniano objetivo. Por lo tanto, es deseable diseñar un método para proyectar simultáneamente los estados de todos los qubits en un procesador AQC en presencia de sesgos finitos y acoplamientos .