Dentro brevemente
- Os pesquisadores introduziram um “limite de cone de luz” que define um limite superior mínimo para algoritmos quânticos, fornecendo uma referência prática para a computação quântica.
- Essa ligação reduz a necessidade de portas SWAP no mapa de circuitos quânticos, o que pode retardar significativamente o processo de adaptação de circuitos a hardware quântico específico.
- Ao reduzir o desperdício computacional, o vínculo lightcone abre caminho para a computação quântica altamente eficiente, beneficiando potencialmente áreas como criptografia e otimização em dispositivos quânticos de curto prazo.
Pesquisadores quânticos ligaram o “limite do cone de luz” que estabelece um novo pequeno limite na sobrecarga computacional para a execução de algoritmos quânticos em hardware – e isso, mostra a equipe, poderia moldar a forma como os circuitos quânticos são feitos, entre outras coisas. é dito.
Escrevendo em npj Quantum Information, a equipe explica que este trabalho pode explicar a sobrecarga necessária muito baixa das portas SWAP – geralmente usadas para ajustar o posicionamento do qubit – reduzindo em última análise as operações adicionais necessárias para desenhar os algoritmos nos processadores. A ligação lightcone fornece a base para o mapeamento de circuitos em dispositivos de curto prazo e estabelece as bases para métodos de computação quântica altamente eficientes.
O estudo, liderado por pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft e da Universidade Técnica de Valência, examina o problema de longa data do mapeamento quântico de circuitos (QCMP), onde as estruturas dos circuitos são modificadas para se adaptarem a arquiteturas de processador específicas. O mapeamento de circuitos normalmente requer múltiplas portas SWAP, um processo demorado e que consome muitos recursos que pode reduzir a precisão computacional.
Esta pesquisa adota uma abordagem inovadora, usando princípios da teoria da informação quântica para definir um limite inferior para essas etapas extras, sugerindo que essa combinação poderia orientar futuros projetos de circuitos que visam reduzir esse desperdício computacional.
Limite do cone de luz
Segundo os pesquisadores, a ligação do cone de luz é baseada em modelos teóricos de informação quântica e teoria dos grafos. Os pesquisadores testaram esse compromisso comparando-o com o compilador Qiskit da IBM usando 600 benchmarks, confirmando a adequação do compromisso para reduzir os cálculos da porta SWAP. Ao fazê-lo, estabeleceram um requisito mínimo confiável para o desempenho do SWAP, fornecendo uma referência para futuros integradores quânticos.
Para cumprir esse compromisso, a equipe desenvolveu seu lightcone – um modelo simplificado que pressupõe um processador quântico idealizado e silencioso. Esse modelo opera sob completo paralelismo, o que significa que a operação de dois qubits – que é uma interação quântica padrão – pode ocorrer simultaneamente, reduzindo a necessidade de reorganizar os qubits no hardware. Eles também desenvolveram o primeiro novo algoritmo de posicionamento de qubit que usa busca por similaridade de grafos, que combina o projeto do circuito com a estrutura do hardware.
Além do compromisso inicial, o estudo também relata o primeiro algoritmo de posicionamento que pode organizar os qubits nas posições corretas antes da execução. Ao reduzir os requisitos de porta SWAP, esta abordagem pode tornar os computadores quânticos de curto prazo mais eficientes, abordando desafios importantes no mapeamento de circuitos.
O trabalho também pode informar o desenvolvimento de aplicações em aprendizado de máquina quântica e outras áreas da computação que dependem de projetos de circuitos eficientes, relata a equipe.
Implicações da computação quântica
À medida que os processadores quânticos evoluem, os limites podem se tornar um padrão para compiladores, influenciando o design de futuros algoritmos quânticos. Com menos perturbação da porta SWAP, os cálculos podem ser realizados com mais precisão, o que pode melhorar aplicações desde criptografia até problemas de otimização.
Os pesquisadores esperam que esta nova restrição ajude os projetistas de circuitos a tomar melhores decisões ao desenvolver algoritmos, especialmente em aplicações que exigem alta precisão e baixas margens de erro. O aprendizado de máquina quântico, por exemplo, pode se beneficiar da eficiência e das taxas de erro reduzidas possibilitadas por essas técnicas de mapeamento.
Métodos
Os pesquisadores tornaram isso possível redefinindo primeiro o desafio do mapeamento do estado quântico por meio da teoria da informação quântica. Eles se concentraram na “ambiguidade SWAP”, o número mínimo de operações SWAP necessárias, que determinaram usando a teoria dos grafos e a geometria da informação. Ao representar as interações de qubit como matrizes de densidade, eles usaram conceitos da ciência de redes para simplificar as interações de circuitos.
Para encontrar a ligação, em uma reviravolta interessante, a equipe usou um diagrama de Penrose – uma ferramenta da física teórica que é frequentemente usada para mostrar as geometrias do espaço-tempo – para visualizar os mecanismos necessários para o uso de uma pequena porta SWAP. Eles então compararam seu modelo com o método de força bruta e o compilador Qiskit da IBM, com resultados consistentes confirmando que sua ligação fornece um requisito SWAP válido para circuitos quânticos adjacentes.
Limitações e direções futuras
Os pesquisadores reconhecem que o modelo lightcone tem limitações que podem ser foco de trabalhos futuros. Por exemplo, assume condições ideais, como um processador sem ruído e paralelismo infinito, condições que ainda não são possíveis com a tecnologia quântica atual. O modelo também não leva em conta interações de porta de qubit único, concentrando-se apenas em operações qubit-qubit, o que limita sua aplicabilidade direta a certos circuitos quânticos.
À medida que a tecnologia avança, no entanto, os resultados da investigação podem ser adaptados a situações do mundo real.
O estudo sugere vários caminhos para uma exploração mais aprofundada. Os pesquisadores pretendem melhorar a robustez de seu algoritmo de alocação de qubits, tornando-o compatível com grandes processadores quânticos. Outra área de desenvolvimento potencial é a inclusão de técnicas adicionais, como o mapeamento de estado quântico baseado em teletransporte, que pode reduzir ainda mais o SWAP. Trabalhos futuros também podem se concentrar na adaptação do cone de luz conectado a circuitos quânticos com correção de erros, o que se tornará cada vez mais relevante à medida que os processadores quânticos amadurecerem.
Esta pesquisa cobre a maioria das informações técnicas sobre hardware e software quântico que este artigo pode cobrir, ou apenas resumir – para uma visão mais aprofundada, consulte o artigo aqui.
Matthew Steinberg, Medina Bandić, Sacha Szkudlarek, Aritra Sarkar e Sebastian Feld, todos da Universidade Técnica de Delft e Carmen G. Almudever, Universidade Técnica de Valência.
