Il sistema D-Wave, a quanto ho capito, ci consente di programmare i modelli Ising e di trovare i loro stati fondamentali. In questa forma, non è universale per il calcolo quantistico: non può simulare un computer quantistico modello circuitale.
Quale sarebbe la cosa più semplice da fare per renderla universale? Quali sono i motivi per cui una cosa del genere non è stata implementata?
Risposte:
Gli accoppiatori XX sono necessari per rendere universale una ricottura quantistica.
https://arxiv.org/abs/0704.1287
Per quanto riguarda la loro fabbricazione, non ho troppa familiarità con i problemi hardware. Forse qualcun altro può commentarlo.
Nella risposta accettata, si dice che i giunti XX sono "necessari".
Tuttavia anche gli accoppiatori YY farebbero il loro lavoro. Ciò è dovuto al gadget YY spiegato nella sezione VI di questo documento .
In realtà anche il documento originale riportato nella risposta accettata, afferma che XZ sarebbe anche abbastanza buono (non solo XX). Per questo motivo, YZ dovrebbe anche essere abbastanza buono, anche se nessuno ha ancora costruito esplicitamente il gadget.
Di tutte e quattro queste opzioni (XX, YY, XZ, YZ) per accoppiatori aggiunti che renderebbero universali le macchine di D-Wave, una di queste è già stata implementata nell'hardware da D-Wave: l'accoppiatore YY.
È stato presentato alla conferenza AQC nel 2018:
Tuttavia ci sono alcune restrizioni sul controllo di questi termini YY, e la ragione fisica per questo è l'argomento della mia domanda qui: nel computer quantistico universale di D-Wave, perché il termine YY deve essere guidato insieme al termine X lineare ?
Quale sarebbe la cosa più semplice da fare per renderla universale?
Vedi il brevetto US9162881B2 US "Realizzazioni fisiche di un computer quantistico adiabatico universale" o Applicazione US US20150111754A1 "Calcolo quantistico adiabatico universale con qubit superconduttori" che è citato qui:
Definizione: base Nel corso di questa specifica e delle rivendicazioni allegate, i termini “base” e “basi” sono usati per indicare un insieme o insiemi, rispettivamente, di vettori linearmente indipendenti che possono essere combinati per descrivere completamente un determinato spazio vettoriale. Ad esempio, la base delle coordinate cartesiane spaziali standard comprende tre vettori, l'asse x, l'asse y e l'asse z. Gli esperti di fisica matematica apprezzeranno la possibilità di definire basi per gli spazi degli operatori, come quelli usati per descrivere gli Hamiltoniani.
Definizione: Qubit efficace In tutta questa specifica e le rivendicazioni allegate, i termini "qubit efficace" e "qubit efficaci" sono usati per indicare un sistema quantistico che può essere rappresentato come un sistema a due livelli. Gli esperti nella tecnica pertinente apprezzeranno che due livelli specifici possono essere isolati da un sistema quantistico multilivello e utilizzati come qubit efficace. Inoltre, i termini "qubit effettivo" e "qubit effettivi" vengono utilizzati per indicare un sistema quantistico comprendente un numero qualsiasi di dispositivi che possono essere utilizzati per rappresentare un singolo sistema a due livelli. Ad esempio, una pluralità di singoli qubit può essere accoppiata in modo tale che l'intero insieme, o una sua porzione, di qubit accoppiati rappresenti un singolo sistema a due livelli.
[0061] Un Universal Quantum Computer (UQC) è un computer quantistico in grado di simulare in modo efficiente qualsiasi altro computer quantistico. In alcune forme di realizzazione, un computer quantistico adiabatico universale (UAQC) sarebbe in grado di simulare qualsiasi computer quantistico tramite calcolo quantistico adiabatico e / o tramite ricottura quantistica. In alcune forme di realizzazione, un UAQC sarebbe in grado di simulare un sistema quantistico fisico tramite calcolo quantistico adiabatico e / o tramite ricottura quantistica.
[0062] È stato stabilito che gli hamiltoniani con spin reticolare locale possono essere utilizzati per il calcolo quantico adiabatico universale. Tuttavia, i modelli Hamiltoniani a 2 locali usati sono generali e quindi non limitano i tipi di interazioni richieste tra gli spin per essere note interazioni che possono essere realizzate in un processore quantistico. Il modello Ising 2-locale con campo trasversale 1-locale è stato realizzato utilizzando diverse tecnologie.
[0063] È improbabile che questo modello di spin quantico sia universale per il calcolo quantistico adiabatico. Vedi discussione in S. Bravyi et al., 2006 arXiv: quant-ph / 0606140v4 o Quant. Inf. Comp. 8, 0361 (2008). Tuttavia, è stato dimostrato che il calcolo quantico adiabatico può essere reso universale e appartiene alla classe di complessità Quantum Merlin Arthur, un analogo quantico della classe di complessità NP, avendo accoppiamenti diagonali 2-locali diagonali e off-diagonali oltre al parametro sintonizzabile 1 diagonali locali e non diagonali .
[0064] I termini diagonali e non diagonali possono essere definiti con riferimento alla base computazionale. Lo stato di un qubit può essere uno dei due stati di base o una sovrapposizione lineare dei due stati di base. I due stati formano una base computazionale.
Nota: fare riferimento al brevetto per i dettagli completi.
Quali sono i motivi per cui una cosa del genere non è stata implementata?
Da: " Elaborazione di informazioni quantistiche con circuiti superconduttori: una recensione " di G. Wendin (8 ott 2017), a pagina 77:
Le macchine D-Wave Systems sono costruite dall'alto verso il basso: il ridimensionamento si basa su qubit e circuiti di flusso con tempi di coerenza brevi. La tecnologia si basa sui classici circuiti RSFQ Nb combinati con qubit Nb rf-SQUID e costituisce la base degli attuali processori D-Wave. L'architettura si basa su una rete cross-bar di bus di comunicazione che consente l'accoppiamento (limitato) di qubit distanti. I qubit sono gestiti variando la polarizzazione cc, cambiando le energie qubit e gli accoppiamenti qubit qubit.
Di conseguenza, le proprietà di coerenza e entanglement devono essere studiate eseguendo vari tipi di esperimenti sulle macchine e sui loro componenti: esperimenti di fisica sull'hardware e "benchmarking" delle prestazioni eseguendo una serie di schemi di QA.
Negli ultimi tre anni, l'argomento si è evoluto rapidamente e ormai è stata raggiunta una certa comprensione e consenso comuni. Sulla base della discussione in alcuni articoli recenti, la situazione può essere riassunta nel modo seguente:
• Il comportamento delle macchine D-Wave è coerente con la ricottura quantistica.
• Finora non è stato visto alcun vantaggio di ridimensionamento (accelerazione quantistica).
• Il QA è efficace nel trovare rapidamente buone soluzioni fintanto che le barriere sono strette, ma alla fine si blocca una volta incontrate le barriere larghe
• I risultati di Google D-Wave 2X che mostrano una velocità di milioni di volte sono per istanze native che si adattano perfettamente al grafico hardware del dispositivo.
• Per problemi generici che non si associano bene all'hardware di un QA, le prestazioni ne risentiranno notevolmente.
• Esistono algoritmi di ottimizzazione classica ancora più efficienti per questi problemi, che superano l'attuale dispositivo D-Wave 2X nella maggior parte dei casi. Tuttavia, la gara è iniziata.
• Con una progettazione migliorata, in particolare una ricottura e una lettura più veloci, il tempo necessario per eseguire una corsa di ricottura quantistica può essere ridotto di un fattore 100x rispetto ai dispositivi di controllo qualità della generazione attuale.
• Tuttavia, la mancata specificazione della funzione di costo a causa di inesattezze di calibrazione è una sfida che può ostacolare le prestazioni dei dispositivi analogici di controllo qualità.
• Un'altra sfida è l'incorporazione di problemi nell'architettura hardware nativa con connettività limitata.
• Esiste la questione aperta dell'accelerazione quantistica nel QA analogico.
• È stata dimostrata la correzione dell'errore QA e può aprire la strada a dispositivi AQO protetti da rumore su larga scala.
• In genere, i problemi di elaborazione classica dal punto di vista computazionale sembrano essere anche problemi difficili per i dispositivi di controllo qualità.
• Potrebbero essere necessari una migliore calibrazione della macchina, riduzione del rumore, ottimizzazione del programma di controllo qualità, dimensioni maggiori del sistema e problemi di rotazione del vetro su misura per dimostrare l'accelerazione quantistica. Tuttavia, ciò che è difficile potrebbe non essere facile da giudicare.
• Resta da vedere cosa può fare il più recente sistema D-Wave 2000Q con 2000 qubit.
Nota: fare riferimento al documento per i dettagli completi.
Il brevetto è in qualche modo più enigmatico nella sua spiegazione:
L'accoppiamento simulato descritto in FIG. 9 e FIG. 10 consente di realizzare più tipi di accoppiamento con un minor numero di tipi di accoppiamento effettivi. Ciò può fornire una maggiore versatilità in un processore quantistico in cui l'architettura è più adatta per tipi specifici di accoppiatori. Ad esempio, un processore quantico superconduttore che, per qualsiasi motivo, è più adatto per implementare solo accoppiatori ZZ e accoppiatori XX può incorporare accoppiamento simulato attraverso qubit mediatore per realizzare gli effetti dell'accoppiamento XZ e ZX simulato.
Gli esperti del ramo comprenderanno che, ai fini della realizzazione delle architetture di accoppiamento qubit insegnate nei sistemi, metodi e apparati attuali, le varie forme di realizzazione degli accoppiatori XX-, ZZ-, XZ- e ZX qui descritte rappresentano esempi non limitativi di dispositivi di accoppiamento. Tutti i dispositivi di accoppiamento descritti nei presenti sistemi, metodi e apparati possono essere modificati per soddisfare i requisiti del sistema specifico in cui vengono implementati o per fornire una funzionalità specifica che è vantaggiosa in una particolare applicazione.
I presenti sistemi, metodi e apparati descrivono la realizzazione fisica del calcolo quantistico adiabatico universale mediante l'implementazione di almeno due diversi meccanismi di accoppiamento in un'architettura di processore. Ciascun meccanismo di accoppiamento fornisce un accoppiamento tra una prima e una seconda base (ad esempio, accoppiamento tra X e X, X e Z, o Z e Z), definendo in tal modo una "base accoppiata" (ad esempio XX, XZ o ZZ) .In conformità con i sistemi, i metodi e gli apparati attuali, le architetture di accoppiamento qubit che includono ciascuna almeno due diverse basi accoppiate, in cui almeno due diverse basi accoppiate non commutano, vengono utilizzate per realizzare gli Hamiltoniani per il calcolo quantico adiabatico universale. Ad esempio, le varie forme di realizzazione descritte nel presente documento insegnano che il calcolo quantico adiabatico universale può essere fisicamente realizzato mediante l'applicazione simultanea di accoppiatori off-diagonali in architetture di accoppiamento qubit . Gli esperti del ramo comprenderanno che questo concetto può estendersi agli accoppiatori che includono la base Y, come gli accoppiatori XY, YX, YY, ZY e YZ.
Questa specifica e le rivendicazioni allegate descrivono implementazioni fisiche di hamiltoniani realizzabili per computer quantistici adiabatici universali dimostrando architetture universali di accoppiamento a qubit. Vi è un elemento comune nelle forme di realizzazione degli schemi di accoppiamento universali qui descritti, e cioè l'implementazione di almeno due diversi set di dispositivi di accoppiamento tra qubit, in cui le rispettive basi accoppiate dai due diversi set di dispositivi di accoppiamento non commutano. Gli esperti del ramo comprenderanno che tali accoppiatori non pendolari possono essere realizzati in una varietà di forme di realizzazione e implementazioni diverse e tutte tali forme di realizzazione non possono praticamente essere descritte in questa specifica. Pertanto, solo due forme di realizzazione fisiche, l'architettura di accoppiamento XX-ZZ e l'architettura di accoppiamento XZ-ZX, sono dettagliati nel presente documento con il riconoscimento che chiunque sia esperto nell'arte pertinente riconoscerà l'estensione a qualsiasi architettura di processore quantistico che implementa accoppiatori non pendolari. Inoltre, gli esperti del settore lo apprezzerannoerigere algoritmi quantistici o vincoli hardware può imporre requisiti minimi sul numero di qubit effettivi nel processore quantistico e / o sul numero di accoppiatori . I presenti sistemi, metodi e apparati descrivono l'uso di accoppiatori XX e ZZ per simulare accoppiatori XZ e ZX, nonché l'uso di accoppiatori XZ e ZX per simulare accoppiatori XX e ZZ, dimostrando così che una coppia di accoppiatori non pendolari in un processore quantico può essere usato per simulare altri schemi di accoppiamento.
[Il mio commento : Fondamentalmente, c'è solo così tanto spazio; e sono previsti miglioramenti.]
Nell'applicazione è leggermente meno enigmatico:
[0129] La lettura è probabilmente più impegnativa in AQC che in GMQC. All'interno di quest'ultimo paradigma, tutti i qubit sono isolati alla fine di un calcolo. Di conseguenza, si può leggere in modo indipendente ogni qubit in un processore GMQC. Al contrario, AQC termina con l'asserzione del bersaglio Hamiltoniano. Quando l'Hamiltoniano contiene elementi fuori diagonale, leggere per AQC può presentare una sfida. Se il processo di lettura richiede il collasso della funzione d'onda del registro qubit, tale stato non sarà più un autogestito dell'amiltoniano di destinazione. Pertanto, è desiderabile escogitare un metodo per proiettare simultaneamente gli stati di tutti i qubit in un processore AQC in presenza di distorsioni e accoppiamenti finiti .