Novo método para verificar se os chips quânticos executam cálculos complexos com precisão

Um novo método determina se os circuitos estão executando com precisão operações complexas que os computadores clássicos não conseguem realizar.

Em um passo em direção à prática Computação quânticapesquisadores de MITGoogle e outros lugares projetaram um sistema que pode verificar quando os chips quânticos realizaram cálculos complexos com precisão que os computadores clássicos não conseguem.

Os chips quânticos realizam cálculos usando bits quânticos, chamados “qubits”, que podem representar os dois estados correspondentes aos bits binários clássicos – 0 ou 1 – ou uma “superposição quântica” de ambos os estados simultaneamente. O estado de superposição único pode permitir que os computadores quânticos resolvam problemas que são praticamente impossíveis para os computadores clássicos, potencialmente estimulando avanços no design de materiais, na descoberta de medicamentos e na descoberta de medicamentos. aprendizado de máquinaentre outras aplicações.

Computadores quânticos em grande escala exigirão milhões de qubits, o que ainda não é viável. Nos últimos anos, os pesquisadores começaram a desenvolver chips “Noisy Intermediate Scale Quantum” (NISQ), que contêm cerca de 50 a 100 qubits. Isso é apenas o suficiente para demonstrar a “vantagem quântica”, o que significa que o chip NISQ pode resolver certos algoritmos que são intratáveis ​​para computadores clássicos. Verificar se os chips executaram as operações conforme esperado, entretanto, pode ser muito ineficiente. As saídas do chip podem parecer totalmente aleatórias, por isso leva muito tempo para simular etapas para determinar se tudo correu conforme o planejado.

Em artigo publicado em 13 de janeiro de 2020, em Física da Natureza, os pesquisadores descrevem um novo protocolo para verificar com eficiência se um chip NISQ executou todas as operações quânticas corretas. Eles validaram seu protocolo em um problema quântico notoriamente difícil executado em um chip fotônico quântico personalizado.

“À medida que os rápidos avanços na indústria e na academia nos levam à beira de máquinas quânticas que podem superar as máquinas clássicas, a tarefa de verificação quântica torna-se crítica em termos de tempo”, diz o primeiro autor Jacques Carolan, pós-doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação ( EECS) e o Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE). “Nossa técnica fornece uma ferramenta importante para verificar uma ampla classe de sistemas quânticos. Porque se eu investir bilhões de dólares para construir um chip quântico, é melhor fazer algo interessante.”

Juntando-se a Carolan no artigo estão pesquisadores do EECS e RLE do MIT, bem como do Google Quantum AI Laboratory, Elenion Technologies, Lightmatter e Zapata Computing.

Dividir e conquistar

O trabalho dos pesquisadores rastreia essencialmente um estado quântico de saída gerado pelo circuito quântico até um estado de entrada conhecido. Isso revela quais operações de circuito foram executadas na entrada para produzir a saída. Essas operações devem sempre corresponder ao que os pesquisadores programaram. Caso contrário, os pesquisadores podem usar as informações para identificar onde as coisas deram errado no chip.

No centro do novo protocolo, denominado “Desamostragem Quântica Variacional”, está uma abordagem de “dividir e conquistar”, diz Carolan, que divide o estado quântico de saída em pedaços. “Em vez de fazer tudo de uma só vez, o que leva muito tempo, fazemos essa organização camada por camada. Isso nos permite dividir o problema para enfrentá-lo de forma mais eficiente”, diz Carolan.

Para isso, os pesquisadores se inspiraram nas redes neurais — que resolvem problemas por meio de muitas camadas de computação — para construir uma nova “rede neural quântica” (QNN), onde cada camada representa um conjunto de operações quânticas.

Para executar o QNN, eles usaram técnicas tradicionais de fabricação de silício para construir um chip NISQ de 2 por 5 milímetros com mais de 170 parâmetros de controle – componentes de circuito sintonizáveis ​​que facilitam a manipulação do fóton caminho mais fácil. Pares de fótons são gerados em comprimentos de onda específicos a partir de um componente externo e injetados no chip. Os fótons viajam pelos defasadores do chip – que alteram o caminho dos fótons – interferindo uns nos outros. Isso produz um estado de saída quântica aleatório – que representa o que aconteceria durante a computação. A saída é medida por uma série de sensores fotodetectores externos.

Essa saída é enviada para o QNN. A primeira camada usa técnicas complexas de otimização para explorar a saída ruidosa e identificar a assinatura de um único fóton entre todos aqueles embaralhados. Em seguida, ele “desembaralha” aquele único fóton do grupo para identificar quais operações do circuito o retornam ao seu estado de entrada conhecido. Essas operações devem corresponder exatamente ao projeto específico do circuito para a tarefa. Todas as camadas subsequentes fazem o mesmo cálculo – removendo da equação quaisquer fótons previamente desembaralhados – até que todos os fótons sejam desembaralhados.

Por exemplo, digamos que o estado de entrada dos qubits alimentados no processador fosse zero. O chip NISQ executa uma série de operações nos qubits para gerar um número enorme e aparentemente alterado aleatoriamente como saída. (Um número de saída mudará constantemente, pois está em uma superposição quântica.) O QNN seleciona pedaços desse número massivo. Em seguida, camada por camada, ele determina quais operações revertem cada qubit de volta ao seu estado de entrada zero. Se alguma operação for diferente das operações originalmente planejadas, então algo deu errado. Os pesquisadores podem inspecionar quaisquer incompatibilidades entre a saída esperada e os estados de entrada e usar essas informações para ajustar o projeto do circuito.

Bóson “retirada da amostragem”

Em experimentos, a equipe executou com sucesso uma tarefa computacional popular usada para demonstrar a vantagem quântica, chamada “amostragem de bósons”, que geralmente é realizada em chips fotônicos. Neste exercício, os deslocadores de fase e outros componentes ópticos irão manipular e converter um conjunto de fótons de entrada em uma superposição quântica diferente de fótons de saída. Em última análise, a tarefa é calcular a probabilidade de um determinado estado de entrada corresponder a um determinado estado de saída. Isso será essencialmente uma amostra de alguma distribuição de probabilidade.

Mas é quase impossível para os computadores clássicos computar essas amostras, devido ao comportamento imprevisível dos fótons. Foi teorizado que os chips NISQ podem computá-los rapidamente. Até agora, porém, não houve forma de verificar isso de forma rápida e fácil, devido à complexidade envolvida nas operações do NISQ e na tarefa em si.

“As mesmas propriedades que conferem a esses chips poder computacional quântico tornam-nos quase impossíveis de verificar”, diz Carolan.

Em experimentos, os pesquisadores conseguiram “retirar a amostragem” de dois fótons que passaram pelo problema de amostragem de bósons em seu chip NISQ personalizado – e em uma fração de tempo seriam necessárias abordagens tradicionais de verificação.

“Este é um excelente artigo que emprega uma rede neural quântica não linear para aprender a operação unitária desconhecida realizada por uma caixa preta”, diz Stefano Pirandola, professor de ciência da computação especializado em tecnologias quânticas no Universidade de Iorque. “É claro que este esquema pode ser muito útil para verificar as portas reais que são executadas por um circuito quântico – (por exemplo) por um processador NISQ. Deste ponto de vista, o esquema serve como uma importante ferramenta de benchmarking para futuros engenheiros quânticos. A ideia foi notavelmente implementada em um chip quântico fotônico.”

Embora o método tenha sido projetado para fins de verificação quântica, ele também poderia ajudar a capturar propriedades físicas úteis, diz Carolan. Por exemplo, certas moléculas, quando excitadas, vibrarão e depois emitirão fótons com base nessas vibrações. Ao injetar esses fótons em um chip fotônico, diz Carolan, a técnica de desembaralhamento poderia ser usada para descobrir informações sobre a dinâmica quântica dessas moléculas para auxiliar no projeto molecular da bioengenharia. Também poderia ser usado para desembaralhar fótons que transportam informações quânticas que acumularam ruído ao passar por espaços ou materiais turbulentos.

“O sonho é aplicar isso a problemas interessantes do mundo físico”, diz Carolan.

Referência: “Unampling quântica variacional em um processador fotônico quântico” por Jacques Carolan, Masoud Mohseni, Jonathan P. Olson, Mihika Prabhu, Changchen Chen, Darius Bunandar, Murphy Yuezhen Niu, Nicholas C. Harris, Franco NC Wong, Michael Hochberg, Seth Lloyd e Dirk Englund, 13 de janeiro de 2020, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-019-0747-6