O sistema D-Wave, como eu o entendo, nos permite programar modelos de Ising e encontrar seus estados fundamentais. Nesta forma, não é universal para computação quântica: não pode simular um computador quântico de modelo de circuito.
Qual seria a coisa mais simples que poderia ser feita para torná-lo universal? Quais são as razões pelas quais tal coisa não foi implementada?
Respostas:
Os acopladores XX são necessários para tornar universal o recozimento quântico.
https://arxiv.org/abs/0704.1287
Quanto à sua fabricação, não estou muito familiarizado com os problemas de hardware. Talvez alguém possa comentar sobre isso.
Na resposta aceita, diz-se que XX acopladores são "necessários".
No entanto, os acopladores YY também fazem o trabalho. Isso ocorre devido ao gadget YY explicado na seção VI deste documento .
Na verdade, mesmo o artigo original dado na resposta aceita, diz que XZ também seria bom o suficiente (não apenas XX). Por esse motivo, o YZ também deve ser bom o suficiente, embora ninguém tenha construído explicitamente o dispositivo ainda.
Das quatro opções (XX, YY, XZ, YZ) para acopladores adicionais que tornariam as máquinas da D-Wave universais, uma delas já foi implementada em hardware pela D-Wave: o acoplador YY.
Foi apresentado na conferência AQC em 2018:
No entanto, existem algumas restrições no controle desses termos YY, e a razão física para isso é o assunto da minha pergunta aqui: No computador quântico universal da D-Wave, por que o termo YY deve ser conduzido juntamente com o termo X linear ?
Qual seria a coisa mais simples que poderia ser feita para torná-lo universal?
Consulte a patente US9162881B2 "Realizações físicas de um computador quântico adiabático universal" ou o pedido US20150111754A1 "Computação quântica adiabática universal com qubits supercondutores", citada aqui:
Definição: Base Em toda esta especificação e nas reivindicações anexas, os termos "base" e "bases" são usados para denotar um conjunto ou conjuntos, respectivamente, de vetores linearmente independentes que podem ser combinados para descrever completamente um determinado espaço vetorial. Por exemplo, a base das coordenadas cartesianas espaciais padrão compreende três vetores, o eixo x, o eixo y e o eixo z. Os especialistas em física matemática compreenderão que bases podem ser definidas para os espaços do operador, como as usadas para descrever os hamiltonianos.
Definição: Qubit Efetivo Em toda esta especificação e nas reivindicações anexas, os termos “qubit efetivo” e “qubits efetivos” são usados para indicar um sistema quântico que pode ser representado como um sistema de dois níveis. Os especialistas na técnica apreciarão que dois níveis específicos podem ser isolados de um sistema quântico de vários níveis e usados como um qubit eficaz. Além disso, os termos "qubit efetivo" e "qubits efetivo" são usados para denotar um sistema quântico que compreende qualquer número de dispositivos que podem ser usados para representar um único sistema de dois níveis. Por exemplo, uma pluralidade de qubits individuais pode ser acoplada de forma que todo o conjunto, ou uma porção dele, de qubits acoplados represente um único sistema de dois níveis.
[0061] Um Computador Quântico Universal (UQC) é um computador quântico capaz de simular com eficiência qualquer outro computador quântico. Em algumas modalidades, um Computador Quântico Adiabático Universal (UAQC) seria capaz de simular qualquer computador quântico via computação quântica adiabática e / ou via recozimento quântico. Em algumas modalidades, um UAQC seria capaz de simular um sistema quântico físico via computação quântica adiabática e / ou via recozimento quântico.
[0062] Foi estabelecido que os Hamiltonianos de spin de rede local podem ser usados para o cálculo quântico adiabático universal. No entanto, o modelo local 2 usado pelos Hamiltonianos é geral e, portanto, não limita os tipos de interações necessárias entre os spins para serem interações conhecidas que podem ser realizadas em um processador quântico. O modelo Ising 2 local com campo transversal 1 local foi realizado usando diferentes tecnologias.
Pensa-se que este modelo de spin quântico não seja universal para o cálculo quântico adiabático. Veja a discussão em S. Bravyi et al., 2006 arXiv: quant-ph / 0606140v4 ou Quant. Inf. Comp. 8, 0361 (2008). No entanto, demonstrou-se que o cálculo quântico adiabático pode ser universalizado e pertencer à classe de complexidade Quantum Merlin Arthur, um análogo quântico da classe de complexidade NP, por possuir acoplamentos ajustáveis na diagonal e fora da diagonal, além de ajustáveis 1 diagonal local e diagonal fora da diagonal .
[0064] Termos diagonais e fora da diagonal podem ser definidos com referência à base computacional. O estado de um qubit pode ser um dos dois estados base ou uma superposição linear dos dois estados base. Os dois estados formam uma base computacional.
Nota: Consulte a patente para obter detalhes completos.
Quais são as razões pelas quais tal coisa não foi implementada?
De: " Processamento de informações quânticas com circuitos supercondutores: uma revisão " de G. Wendin (8 de outubro de 2017), na página 77:
As máquinas dos sistemas D-Wave são construídas de cima para baixo - a expansão é baseada em qubits e circuitos de fluxo com curto tempo de coerência. A tecnologia é baseada em circuitos Nb RSFQ clássicos combinados com qubits Nb rf-SQUID e forma a base dos atuais processadores D-Wave. A arquitetura é baseada em uma rede de barras cruzadas de barramentos de comunicação, permitindo o acoplamento (limitado) de qubits distantes. Os qubits são operados variando o dc-bias, alterando as energias qubit e os acoplamentos qubit qubit.
Como resultado, as propriedades de coerência e emaranhamento devem ser investigadas executando vários tipos de experimentos nas máquinas e seus componentes: experimentos de física no hardware e "benchmarking" do desempenho executando vários esquemas de controle de qualidade.
Nos últimos três anos, o tópico evoluiu rapidamente e, a essa altura, foi alcançado um certo entendimento e consenso em comum. Com base na discussão em alguns artigos recentes, a situação pode ser resumida da seguinte maneira:
• O comportamento das máquinas D-Wave é consistente com o recozimento quântico.
• Nenhuma vantagem de escala (aceleração quântica) foi vista até agora.
• O controle de qualidade é eficiente para encontrar rapidamente boas soluções, desde que as barreiras sejam estreitas, mas, no final das contas, fica preso depois que grandes barreiras são encontradas
• Os resultados do Google D-Wave 2X, mostrando um aumento de milhões de vezes, são para instâncias nativas que se encaixam perfeitamente no gráfico de hardware do dispositivo.
• Para problemas genéricos que não são bem mapeados no hardware de um controle de qualidade, o desempenho sofrerá significativamente.
• Existem algoritmos de otimização clássicos ainda mais eficientes para esses problemas, que superam o atual dispositivo D-Wave 2X na maioria das instâncias de problemas. No entanto, a corrida já começou.
• Com engenharia aprimorada, recozimento e leitura especialmente mais rápidos, o tempo para executar uma execução de recozimento quântico pode ser reduzido em um fator 100x nos dispositivos de controle de qualidade da geração atual.
• No entanto, a especificação incorreta da função de custo devido a imprecisões na calibração é um desafio que pode prejudicar o desempenho dos dispositivos analógicos de controle de qualidade.
• Outro desafio é a incorporação de problemas na arquitetura de hardware nativa com conectividade limitada.
• Existe a questão aberta da aceleração quântica no controle de qualidade analógico.
• A correção de erro de controle de qualidade foi demonstrada e pode abrir caminho para dispositivos AQO protegidos contra ruído em grande escala.
• Normalmente, problemas classicamente computacionalmente difíceis também parecem ser difíceis para dispositivos de controle de qualidade.
• Calibração aprimorada da máquina, redução de ruído, otimização do cronograma de controle de qualidade, tamanhos maiores de sistema e problemas personalizados com o vidro giratório podem ser necessários para demonstrar a aceleração quântica. No entanto, o que é difícil pode não ser fácil de julgar.
• Resta ver o que o mais novo sistema D-Wave 2000Q pode fazer com 2000 qubits.
Nota: Consulte o papel para obter detalhes completos.
A patente é um pouco mais enigmática em sua explicação:
O acoplamento simulado descrito na FIG. 9 e FIG. 10 permite que vários tipos de acoplamento sejam realizados por menos tipos de acopladores reais. Isso pode proporcionar maior versatilidade em um processador quântico, onde a arquitetura é mais adequada para tipos específicos de acopladores. Por exemplo, um processador quântico supercondutor que, por qualquer motivo, seja mais adequado para implementar apenas acopladores ZZ e acopladores XX, pode incorporar acoplamento simulado por meio de qubits de mediadores para perceber os efeitos do acoplamento XZ e ZX simulado.
Os especialistas na técnica compreenderão que, para os propósitos de realizar as arquiteturas de acoplamento de qubit ensinadas nos presentes sistemas, métodos e aparelhos, as várias modalidades de acopladores XX, ZZ, XZ e ZX aqui descritas representam exemplos não limitativos de dispositivos de acoplamento. Todos os dispositivos de acoplamento descritos nos presentes sistemas, métodos e aparelhos podem ser modificados para acomodar os requisitos do sistema específico no qual eles estão sendo implementados, ou para fornecer uma funcionalidade específica que é vantajosa em uma aplicação específica.
Os presentes sistemas, métodos e aparelhos descrevem a realização física do cálculo quântico adiabático universal pela implementação de pelo menos dois mecanismos de acoplamento diferentes em uma arquitetura de processador. Cada mecanismo de acoplamento fornece acoplamento entre uma primeira e uma segunda base (por exemplo, acoplamento entre X e X, X e Z ou Z e Z), definindo assim uma "base acoplada" (por exemplo, XX, XZ ou ZZ) .De acordo com os presentes sistemas, métodos e aparelhos, arquiteturas de acoplamento de qubit que incluem cada uma pelo menos duas bases acopladas diferentes, onde pelo menos duas bases acopladas diferentes não são comutadas, são usadas para realizar os Hamiltonianos para computação quântica adiabática universal. Por exemplo, as várias modalidades descritas neste documento ensinam que o cálculo quântico adiabático universal pode ser fisicamente realizado pela aplicação simultânea de acopladores fora da diagonal em arquiteturas de acoplamento de qubit . Os especialistas na técnica compreenderão que esse conceito pode se estender a acopladores que incluem a base Y, como acopladores XY, YX, YY, ZY e YZ.
Esta especificação e as reivindicações anexas descrevem implementações físicas de Hamiltonianos realizáveis para computadores quânticos adiabáticos universais, demonstrando arquiteturas universais de acoplamento de qubit. Existe um elemento comum nas modalidades de esquemas de acoplamento universal aqui descritos, e que é a implementação de pelo menos dois conjuntos diferentes de dispositivos de acoplamento entre qubits, em que as respectivas bases acopladas pelos dois conjuntos diferentes de dispositivos de acoplamento não se comutam. Os especialistas na técnica compreenderão que esses acopladores não comutativos podem ser realizados em uma variedade de modalidades e implementações diferentes e todas essas modalidades não podem ser praticamente divulgadas nesta especificação. Assim, apenas duas modalidades físicas, a arquitetura de acoplamento XX-ZZ e a arquitetura de acoplamento XZ-ZX, são detalhados aqui com o reconhecimento de que qualquer especialista na técnica reconhecerá a extensão a qualquer arquitetura de processador quântico que implemente acopladores não pendulares. Além disso, aqueles versados na técnica apreciarão quedeterminados algoritmos quânticos ou restrições de hardware podem impor requisitos mínimos sobre o número de qubits efetivos no processador quântico e / ou o número de acopladores . Os presentes sistemas, métodos e aparelhos descrevem o uso de acopladores XX e ZZ para simular acopladores XZ e ZX, bem como o uso de acopladores XZ e ZX para simular acopladores XX e ZZ, provando assim que um par de acopladores não pendulares em um processador quântico pode ser usado para simular outros esquemas de acoplador.
[ Meu comentário : Basicamente, há muito espaço; e melhorias são planejadas.]
No aplicativo, é um pouco menos enigmático:
A leitura é provavelmente mais desafiadora no AQC do que no GMQC. Dentro deste último paradigma, todos os qubits são isolados no final de uma computação. Consequentemente, é possível ler independentemente cada qubit em um processador GMQC. Em contraste, o AQC termina com o Hamiltoniano alvo sendo afirmado. Quando o Hamiltoniano contém elementos fora da diagonal, a leitura do AQC pode apresentar um desafio. Se o processo de leitura exigir que a função de onda do registro de qubit desmorone, esse estado não será mais um eigenstate do Hamiltoniano de destino. Portanto, é desejável criar um método para projetar simultaneamente os estados de todos os qubits em um processador AQC na presença de desvios e acoplamentos finitos .