Distributed variational quantum computing with deterministic entanglement tuning

De zoektocht naar het bouwen van een krachtige kwantumcomputer staat voor een fundamentele hindernis: naarmate deze machines groter worden om complexere problemen op te lossen, beginnen de onderdelen die ze laten werken met elkaar te interfereren, wat fouten introduceert die de berekening kunnen ruïneren. Om dit te omzeilen, hebben wetenschappers voorgesteld om modulaire systemen te bouwen, waarbij veel kleinere kwantumprocessors worden gekoppeld om samen als één massieve machine te fungeren. De uitdaging ligt in het verbinden van deze eenheden. Om deze afzonderlijke eenheden samen te laten werken, moeten ze een speciaal soort verbinding delen die verstrengeling wordt genoemd, waarbij de toestand van een deeltje op de ene locatie direct verbonden is met een deeltje ver weg. Traditioneel is het gebruiken van deze verbinding om berekeningen uit te voeren als het proberen te bouwen van een huis door voortdurend de stenen te consumeren die je nodig hebt voor de muren; elke keer dat je informatie tussen processors wilt verplaatsen, verbruik je een paar verstrengelde deeltjes, wat traag, verspillend en foutgevoelig is.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze verbindingen te beheren die deze verspillende werking vermijdt. In plaats van de verstrengeling te consumeren om een taak uit te voeren, lieten zij zien hoe men de sterkte van de link tussen twee verre kwantumprocessors zorgvuldig kan aanpassen zonder deze te vernietigen. Deze methode stelt de processors in staat om hun verbinding af te stemmen op het exacte niveau dat nodig is voor een specifiek probleem, met behulp van alleen lokale aanpassingen en klassieke communicatie. Door deze benadering te testen op twee verschillende wetenschappelijke modellen, bewezen de onderzoekers dat ze kwantumtoestanden met hoge precisie konden voorbereiden over een breed scala aan verbindingsterktes. Dit suggereert een meer praktische en efficiënte weg voorwaarts voor gedistribueerde kwantumcomputing, waarbij de focus verschuift van het constant genereren van nieuwe middelen naar het vaardig vormgeven van de middelen die al gedeeld worden.

De kern van dit werk adresseert een specifieke beperking in hoe wetenschappers momenteel kwantumcomputers aan elkaar koppelen. In een gedistribueerde opstelling moeten twee aparte machines, laten we ze Alice en Bob noemen, een paar verstrengelde fotonen delen om samen te werken. In het verleden, als de onderzoekers een specifiek type verbinding nodig hadden dat zwakker of sterker was dan de verbinding die ze hadden, moesten ze vertrouwen op een proces genaamd probabilistische filtering. Dit is een beetje als het proberen te vangen van een specifiek type vis door een net uit te gooien en te hopen dat je de juiste krijgt; als dat niet lukt, moet je het net weggooien en het opnieuw proberen. Deze trial-and-error methode is inefficiënt omdat het veel pogingen wegwerpt en het hele proces vertraagt. Bovendien vereist de standaardmanier om berekeningen uit te voeren over deze gekoppelde machines, bekend als gate-teleportatie, het consumeren van een vers paar verstrengelde deeltjes voor elke stap van de berekening, wat snel te duur wordt in termen van middelen.

De onderzoekers stelden een andere strategie voor gebaseerd op een wiskundig principe dat bepaalt hoe kwantumtoestanden getransformeerd kunnen worden. Ze realiseerden zich dat als je begint met een sterke, perfecte verbinding, je deze deterministisch, of met zekerheid, kunt veranderen in een zwakkere of anders gevormde verbinding zonder de bron te verliezen. Ze bouwden een experimentele opstelling met lichtdeeltjes, of fotonen, om dit idee te testen. Ze genereerden paren verstrengelde fotonen en stuurden deze naar twee aparte stations. Bij één station voerden ze een specifieke meting uit die het hen mogelijk maakte de sterkte van de verstrengeling tussen de twee fotonen aan te passen. Cruciaal was dat deze aanpassing geen gok was; het was een gecontroleerde operatie die altijd slaagde. Als de meting een bepaalde uitkomst aangaf, werd er een eenvoudige correctie toegepast op het andere foton om ervoor te zorgen dat de uiteindelijke verbinding precies was wat ze wilden. Dit proces stelde hen in staat om een continu bereik van verbindingsterktes te creëren, van zeer zwak tot zeer sterk, zonder het verstrengelde paar ooit te hoeven weggooien.

Om te bewijzen dat deze afstemmogelijkheid nuttig was voor werkelijke computing, paste het team hun methode toe op twee bekende wetenschappelijke problemen. Het eerste was het modelleren van een simpel molecuul bestaande uit een heliumatoom en een waterstofion, een systeem dat vaak wordt gebruikt om kwantumchemische algoritmen te testen. Het tweede was een model van elektron- en positroninteracties, wat natuurkundigen helpt de fundamentele krachten van de natuur te begrijpen. Voor elk probleem gebruikten de onderzoekers hun afstembare verstrengeling om een kwantumtoestand voor te bereiden die de laagste energietoestand van het systeem vertegenwoordigt. Ze ontdekten dat door de verbindingsterkte aan te passen aan de specifieke behoeften van het molecuul of de deeltjesinteractie, ze de energieniveaus met hoge nauwkeurigheid konden berekenen. In het geval van het molecuul lagen hun resultaten extreem dicht bij de bekende theoretische waarden, met een gemiddelde fout van slechts ongeveer 0,010 Hartree, een standaardeenheid van energie in de atomaire fysica. Voor het deeltjesinteractiemodel bereikten ze een vergelijkbaar niveau van succes, waarmee ze lieten zien dat hun methode verschillende soorten problemen effectief kan aanpaken.

De betekenis van dit werk ligt in de efficiëntie en betrouwbaarheid. In tegenstelling tot eerdere methoden die vereisten dat verstrengelde paren voor elke stap van een berekening werden geconsumeerd, stelt dit nieuwe protocol de onderzoekers in staat om de verstrengelingsbron te hergebruiken. Ze kunnen beginnen met een sterke link en deze naar beneden bijstellen naar het precieze niveau dat vereist is voor het probleem in kwestie. Dit is bijzonder belangrijk voor nabije kwantumcomputers, die nog steeds beperkt zijn in hoeveel operaties ze kunnen uitvoeren voordat fouten binnensluipen. Door de overhead van het beheren van verbindingen te verminderen, maakt deze benadering het haalbaarder om complexe algoritmen over meerdere processors uit te voeren. De onderzoekers merkten ook op dat hoewel hun huidige experiment slechts twee eenvoudige processors gebruikte, de methode kan worden opgeschaald. Door meer paren verstrengelde deeltjes te delen tussen grotere processors, zouden ze theoretisch de verbindingen kunnen afstemmen voor veel complexere systemen, wat een flexibel kader biedt voor toekomstige kwantumnetwerken.

De resultaten van dit onderzoek suggereren dat de toekomst van gedistribueerde kwantumcomputing niet wellicht zal rusten op het constant genereren van nieuwe, perfecte verbindingen, maar op het vermogen om de verbindingen die al bestaan te vormen en te verfijnen. Het team heeft aangetoond dat het mogelijk is om specifieke niveaus van verstrengeling te creëren die aansluiten bij de unieke vereisten van verschillende wetenschappelijke problemen, terwijl een hoge getrouwheid behouden blijft en de verspilling die gepaard gaat met oudere methoden wordt vermeden. Deze deterministische controle biedt een praktisch alternatief voor de volgende generatie kwantumtoepassingen, wat wetenschappers potentieel in staat stelt problemen in chemie en fysica op te lossen die momenteel buiten bereik liggen. Naarmate het veld vordert, zou het vermogen om de links tussen kwantumprocessors precies af te stemmen net zo belangrijk kunnen worden als de processors zelf, waardoor de uitdaging van het opschalen verandert in een kans voor meer efficiënte en krachtige berekeningen.