量子计算在桑迪亚进一步推进新项目

2019-06-14 17:33:49

量子计算是一个定期在媒体天空闪烁的术语,就像沙漠中的热闪电一样:辉煌,引人注目,然后从公众心中消失,没有明显的后遗症。

然而,建造量子计算机的数百万美元的国际努力几乎没有消失。

现在,桑迪亚国家实验室领导的四个新项目旨在通过创建以下方式将摇摆不定的主题置于稳定照明中:

- 量子计算“测试平台”,具有可访问的组件,工业,学术和政府研究人员可以在其上运行自己的算法。

- 一套测量量子硬件性能的测试程序。

- 经典软件,确保量子计算测试平台的可靠运行,并从中哄骗实用程序。

- 高级量子算法,探索与理论物理,经典优化和机器学习的联系。

这些为期三到五年的项目由能源部科学办公室的高级科学计算研究项目资助,总资金为4200万美元,该项目是桑迪亚先进科学和技术组合的一部分。

量子信息科学“代表着信息时代的下一个前沿,”今年秋天,美国能源部长里克佩里宣布为该研究提供了2.18亿美元的DOE资金。“在激烈的国际竞争中,这些投资将确保美国在一个可能影响信息处理长期未来的领域的持续领导地位,并产生有益于我们经济和社会的多种新技术。”

Sandia领导的四个项目中的三个项目包括加州理工学院,洛斯阿拉莫斯国家实验室,达特茅斯学院,杜克大学,马里兰大学和塔夫茨大学。

普遍可用的量子计算机的诞生

量子计算机本身的设计和构造 - 正式称为量子科学计算开放式用户测试平台 - 在桑迪亚研究员Peter Maunz的指导下,是一个耗资2510万美元,为期五年的项目,将使用被困原子离子技术。

陷阱离子非常适合实现量子计算机,因为量子比特(量子比特) - 经典比特的量子泛化 - 被编码在单个被捕获的原子离子的电子态中,Maunz说。

“由于被捕获的离子是相同的,并且在真空中被电场悬浮,它们具有相同的,几乎完美的量子比特,与环境噪声隔离良好,因此可以忠实地存储和处理信息,”他说。“虽然目前没有量子纠错的小型量子计算机仍然是嘈杂的设备,但已经采用陷阱离子技术实现了噪声最低的量子门。”

量子门是在少量量子位上工作的量子电路的基本构建块。

此外,在陷阱离子系统中,Maunz说:“有可能在同一陷阱中的所有离子对之间实现量子门,这一特征可以极大地减少实现量子计算所需的门数。”

QSCOUT旨在使DOE科学界能够获得被捕获的量子计算机。Maunz说,作为一个开放平台,它不仅可以提供有关其所有量子和经典过程的完整信息,还可以使研究人员能够研究,改变和优化测试平台的内部,甚至提出更高级的量子实现操作。

因为今天的量子计算机只能访问有限数量的量子比特并且它们的操作仍然存在错误,所以这些设备还不能解决经典计算机无法解决的科学问题。尽管如此,像QSCOUT这样的原型量子处理器的使用应该允许研究人员优化现有的量子算法,发明新的量子算法,并评估量子计算的能力,以解决复杂的科学问题,Maunz说。

布丁的证明

但科学家们如何确保量子测试平台的技术组件按预期运行?

由量子研究员Robin Blume-Kohout领导的桑迪亚团队正在开发一种方法工具箱来测量量子计算机在实际情况下的性能。

“我们的目标是设计评估量子计算机准确性的方法和软件,”Blume-Kohout说。

这个耗资370万美元,为期五年的量子性能评估项目计划开发一系列小型量子软件程序。这些范围从简单的例程,如“翻转这个量子比特然后停止”,到测试大小的实际量子算法实例,用于化学或机器学习,几乎可以在任何量子处理器上运行。

这些程序不是用高级计算机语言编写的,而是用于直接在量子位上运行并产生已知结果的基本指令序列。

然而,Blume-Kohout说,“因为我们认识到量子力学本质上也是随机的,所以这些测试程序中的一些旨在产生50/50随机结果。这意味着我们需要运行测试程序数千次,以确认结果确实是50/50而不是70/30,以检查量子计算机的数学计算。“

该团队的目标是通过发现问题来使用测试平台结果来调试QSCOUT等处理器,以便工程师可以修复它们。这需要在物理学和统计学方面有相当多的专业知识,但Blume-Kohout很乐观。

“这个项目建立在桑迪亚已经做了五年的工作之上,”他说。“我们在其他情况下为美国政府解决了类似的问题。”

例如,他说,智能高级研究项目活动与桑迪亚联系,以评估其LogiQ计划中表演者的成果,该计划旨在提高量子计算的保​​真度。“我们希望能够以一定程度的可靠性说,'这是实现目标所需的基石,'”Blume-Kohout说

量子和经典计算相遇

一旦计算机由Maunz的团队构建并且其可靠性由Blume-Kohout的团队确定,它将如何用于计算任务?

Sandia领导的价值780万美元的量子计算机四年优化,验证和工程可靠性项目旨在回答这个问题。LANL和达特茅斯学院是合作伙伴。

项目负责人和物理学家Mohan Sarovar预计,Sandia开发的第一台量子计算机将是一个非常专业的处理器,其作用类似于高性能计算中图形处理单元所扮演的角色。

“同样,量子测试平台将擅长做一些专门的事情。它也会'吵闹'。它不会是完美的,“萨诺瓦说。“我的项目会问:你可以使用这些专业单位吗?它们可以执行哪些具体任务,以及如何将它们与连接经典计算机和量子计算机的专用算法结合使用?“

该团队打算开发经典的“中间件”,旨在计算使用QSCOUT测试平台和类似的近期量子计算机。

“虽然我们对如何使用完全开发的容错量子计算机有很好的想法,但我们并不确定在不久的将来我们期望看到的有限设备的计算用途是什么,”Sarovar说。“我们认为他们将在更大的经典计算框架中扮演一个非常专业的协处理器的角色。”该项目旨在开发工具,启发式和软件,以从这些近期量子协处理器中提取可靠,有用的答案。

在高峰期

在最理论层面上,由研究人员Ojas Parekh领导的由桑迪亚领导的量子优化和学习与模拟(QOALAS)项目的理论物理学家和计算机科学家团队开发了一种新的量子算法,用于求解线性方程组。 - 科学和工程面临的最基本和无处不在的挑战之一。

除Sandia外,这个为期三年,耗资450万美元的项目包括LANL,马里兰大学和加州理工学院。

“我们在LANL创建的量子线性系统算法有可能在某些环境中提供比经典算法更高的指数加速,”Parekh说。“虽然已知类似的量子算法用于求解线性系统,但我们的量子算法要简单得多。

“对于量子物理学中的许多问题,我们想知道什么是最低能量状态?例如,了解这些状态可以帮助我们更好地理解材料的工作原理。在过去40年中开发的经典离散优化技术可用于近似这些状态。我们相信量子物理学将帮助我们获得更好或更快的近似值。“

该团队正致力于研究其他量子算法,这些算法可以提供最着名的经典算法的指数加速。例如,Parekh说,“如果经典算法需要2 100步 - 两次本身100次,或1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,376步 - 解决问题,这个数字被认为比宇宙中的所有粒子都大,那么提供指数加速的量子算法只需要100步。指数加速是如此巨大,以至于它可能使诸如过度噪音之类的实际挂起相形见绌。