Le système D-Wave, si je comprends bien, nous permet de programmer des modèles Ising et de trouver leurs états fondamentaux. Sous cette forme, il n'est pas universel pour le calcul quantique: il ne peut pas simuler un ordinateur quantique de modèle de circuit.
Quelle serait la chose la plus simple à faire pour la rendre universelle? Quelles sont les raisons pour lesquelles une telle chose n'a pas été mise en œuvre?
Réponses:
Les coupleurs XX sont nécessaires pour rendre universel le recuit quantique.
https://arxiv.org/abs/0704.1287
Quant à leur fabrication, je ne connais pas trop les problèmes matériels. Peut-être que quelqu'un d'autre peut commenter cela.
Dans la réponse acceptée, il est dit que les coupleurs XX sont "nécessaires".
Cependant, les coupleurs YY feraient également l'affaire. Cela est dû au gadget YY expliqué dans la section VI de ce document .
En fait, même le document original donné dans la réponse acceptée, dit que XZ serait également assez bon (pas seulement XX). Pour cette raison, YZ devrait également être assez bon, bien que personne n'ait encore explicitement construit le gadget.
Sur les quatre de ces options (XX, YY, XZ, YZ) pour les coupleurs ajoutés qui rendraient les machines D-Wave universelles, l'une d'entre elles a déjà été implémentée dans le matériel par D-Wave: le coupleur YY.
Il a été présenté lors de la conférence AQC en 2018:
Cependant, il y a quelques restrictions sur le contrôle de ces termes YY, et la raison physique de ceci est le sujet de ma question ici: Dans l'ordinateur quantique universel de D-Wave, pourquoi le terme YY doit-il être conduit avec le terme X linéaire ?
Quelle serait la chose la plus simple à faire pour la rendre universelle?
Voir le brevet américain US9162881B2 "Réalisations physiques d'un ordinateur quantique adiabatique universel" ou la demande américaine US20150111754A1 "Calcul quantique adiabatique universel avec qubits supraconducteurs" qui est cité ici:
Définition: base Dans toute cette spécification et les revendications annexées, les termes "base" et "bases" sont utilisés pour désigner respectivement un ou plusieurs ensembles de vecteurs linéairement indépendants qui peuvent être combinés pour décrire complètement un espace vectoriel donné. Par exemple, la base des coordonnées cartésiennes spatiales standard comprend trois vecteurs, l'axe x, l'axe y et l'axe z. Les spécialistes de la physique mathématique apprécieront que des bases peuvent être définies pour les espaces des opérateurs, comme celles utilisées pour décrire les hamiltoniens.
Définition: Qubit efficace Tout au long de cette spécification et des revendications annexées, les termes "qubit effectif" et "qubits effectifs" sont utilisés pour désigner un système quantique qui peut être représenté comme un système à deux niveaux. L'homme du métier appréciera que deux niveaux spécifiques peuvent être isolés d'un système quantique à plusieurs niveaux et utilisés comme qubit efficace. En outre, les termes «qubit effectif» et «qubits effectifs» sont utilisés pour désigner un système quantique comprenant un nombre quelconque de dispositifs pouvant être utilisés pour représenter un seul système à deux niveaux. Par exemple, une pluralité de qubits individuels peuvent être couplés ensemble de telle manière que l'ensemble entier, ou une partie de ceux-ci, de qubits couplés représente un système unique à deux niveaux.
Un ordinateur quantique universel (UQC) est un ordinateur quantique qui est capable de simuler efficacement tout autre ordinateur quantique. Dans certains modes de réalisation, un ordinateur quantique adiabatique universel (UAQC) pourrait simuler n'importe quel ordinateur quantique via un calcul quantique adiabatique et / ou via un recuit quantique. Dans certains modes de réalisation, un UAQC serait capable de simuler un système quantique physique via un calcul quantique adiabatique et / ou via un recuit quantique.
Il a été établi que des hamiltoniens de spin de réseau local peuvent être utilisés pour le calcul quantique adiabatique universel. Cependant, le modèle 2-local hamiltoniens utilisé est général et ne limite donc pas les types d'interactions nécessaires entre les spins pour être des interactions connues qui peuvent être réalisées dans un processeur quantique. Le modèle d'Ising 2-local avec champ transversal 1-local a été réalisé en utilisant différentes technologies.
On pense que ce modèle de spin quantique n'est pas universel pour le calcul quantique adiabatique. Voir la discussion dans S. Bravyi et al., 2006 arXiv: quant-ph / 0606140v4 ou Quant. Inf. Comp. 8, 0361 (2008). Cependant, il a été démontré que le calcul quantique adiabatique peut être rendu universel et appartient à la classe de complexité Quantum Merlin Arthur, un analogue quantique de la classe de complexité NP, en ayant des couplages diagonaux et off-diagonaux accordables à 2 local en plus de l'accordable 1 - biais locaux et diagonaux hors diagonale .
Les termes diagonaux et non diagonaux peuvent être définis en référence à la base de calcul. L'état d'un qubit peut être l'un des deux états de base ou une superposition linéaire des deux états de base. Les deux états forment une base de calcul.
Remarque: reportez-vous au brevet pour plus de détails.
Quelles sont les raisons pour lesquelles une telle chose n'a pas été mise en œuvre?
Tiré de: " Le traitement de l'information quantique avec les circuits supraconducteurs: une revue " de G. Wendin (8 octobre 2017), à la page 77:
Les machines D-Wave Systems sont construites de haut en bas - la mise à l'échelle est basée sur des qubits de flux et des circuits à temps de cohérence court. La technologie est basée sur des circuits Nb RSFQ classiques combinés avec des qubits Nb rf-SQUID, et constitue la base des processeurs D-Wave actuels. L'architecture repose sur un réseau cross-bar de bus de communication permettant un couplage (limité) de qubits distants. Les qubits sont exploités en faisant varier la polarisation en courant continu, en changeant les énergies de qubit et les couplages de qubit de qubit.
En conséquence, les propriétés de cohérence et d'enchevêtrement doivent être étudiées en effectuant différents types d'expériences sur les machines et leurs composants: des expériences de physique sur le matériel et un «benchmarking» des performances en exécutant une gamme de systèmes d'assurance qualité.
Au cours des trois dernières années, le sujet a rapidement évolué et, à ce jour, une certaine compréhension et un consensus communs ont été atteints. Sur la base de la discussion dans certains articles récents, la situation peut être résumée de la manière suivante:
• Le comportement des machines D-Wave est cohérent avec le recuit quantique.
• Aucun avantage d'échelle (accélération quantique) n'a jusqu'à présent été observé.
• L'AQ est efficace pour trouver rapidement de bonnes solutions tant que les barrières sont étroites, mais reste finalement bloquée une fois que de grandes barrières sont rencontrées
• Les résultats de Google D-Wave 2X montrant une accélération d'un million de fois concernent des instances natives qui correspondent parfaitement au graphique matériel de l'appareil.
• Pour les problèmes génériques qui ne correspondent pas bien au matériel d'un AQ, les performances en souffriront considérablement.
• Des algorithmes d'optimisation classiques encore plus efficaces existent pour ces problèmes, qui surpassent le dispositif D-Wave 2X actuel pour la plupart des instances de problème. Cependant, la course est lancée.
• Grâce à une ingénierie améliorée, en particulier un recuit et une lecture plus rapides, le temps nécessaire pour effectuer un recuit quantique peut être réduit d'un facteur 100x par rapport aux dispositifs d'assurance qualité de génération actuelle.
• Cependant, une mauvaise spécification de la fonction de coût en raison d'inexactitudes d'étalonnage est un défi qui peut nuire aux performances des dispositifs analogiques d'assurance qualité.
• Un autre défi est l'incorporation de problèmes dans l'architecture matérielle native avec une connectivité limitée.
• Il y a la question ouverte de l'accélération quantique en AQ analogique.
• La correction d'erreur QA a été démontrée et peut ouvrir la voie à des dispositifs AQO protégés contre le bruit à grande échelle.
• En règle générale, les problèmes de calcul classiques semblent également être des problèmes difficiles pour les périphériques d'assurance qualité.
• L'amélioration de l'étalonnage de la machine, la réduction du bruit, l'optimisation de la planification de l'assurance qualité, des tailles de système plus grandes et des problèmes de verre de spin adaptés peuvent être nécessaires pour démontrer l'accélération quantique. Mais ce qui est difficile peut ne pas être facile à juger.
• Reste à voir ce que le nouveau système D-Wave 2000Q peut faire avec 2000 qubits.
Remarque: reportez-vous au document pour plus de détails.
Le brevet est un peu plus cryptique dans son explication:
Le couplage simulé décrit à la Fig. 9 et la FIG. 10 permet de réaliser plusieurs types de couplage avec moins de types de coupleurs réels. Cela peut offrir une plus grande polyvalence dans un processeur quantique où l'architecture est la mieux adaptée à des types spécifiques de coupleurs. Par exemple, un processeur quantique supraconducteur qui, pour une raison quelconque, est le mieux adapté pour implémenter uniquement des coupleurs ZZ et des coupleurs XX peut incorporer un couplage simulé via des qubits médiateurs pour réaliser les effets du couplage XZ et ZX simulé.
L'homme du métier appréciera que, aux fins de la réalisation des architectures de couplage qubit enseignées dans les présents systèmes, procédés et appareils, les divers modes de réalisation des coupleurs XX, ZZ, XZ et ZX décrits ici représentent exemples non limitatifs de dispositifs de couplage. Tous les dispositifs de couplage décrits dans les présents systèmes, procédés et appareils peuvent être modifiés pour s'adapter aux exigences du système spécifique dans lequel ils sont mis en œuvre, ou pour fournir une fonctionnalité spécifique qui est avantageuse dans une application particulière.
Les présents systèmes, procédés et appareils décrivent la réalisation physique d'un calcul quantique adiabatique universel par la mise en œuvre d'au moins deux mécanismes de couplage différents dans une architecture de processeur. Chaque mécanisme de couplage assure le couplage entre une première et une deuxième base (par exemple, le couplage entre X et X, X et Z, ou Z et Z), définissant ainsi une «base couplée» (par exemple, XX, XZ ou ZZ) .Conformément aux présents systèmes, procédés et appareils, des architectures de couplage qubit comprenant chacune au moins deux bases couplées différentes, où au moins deux bases couplées différentes ne commutent pas, sont utilisées pour réaliser les hamiltoniens pour le calcul quantique adiabatique universel. Par exemple, les divers modes de réalisation décrits ici enseignent que le calcul quantique adiabatique universel peut être physiquement réalisé par l'application simultanée de coupleurs hors diagonale dans des architectures à couplage qubit . L'homme du métier appréciera que ce concept peut s'étendre aux coupleurs qui incluent la base Y, tels que les coupleurs XY-, YX-, YY-, ZY- et YZ.
Cette spécification et les revendications annexées décrivent des implémentations physiques d'hamiltoniens réalisables pour des ordinateurs quantiques adiabatiques universels en démontrant des architectures universelles de couplage qubit. Il y a un élément commun aux modes de réalisation des schémas de couplage universels décrits ici, et c'est la mise en œuvre d'au moins deux ensembles différents de dispositifs de couplage entre qubits, où les bases respectives couplées par les deux ensembles différents de dispositifs de couplage ne commutent pas. L'homme du métier appréciera que de tels coupleurs sans commutation peuvent être réalisés dans une variété de modes de réalisation et de mises en œuvre différents et tous ces modes de réalisation ne peuvent pas être divulgués pratiquement dans cette spécification. Ainsi, seuls deux modes de réalisation physiques, l'architecture de couplage XX-ZZ et l'architecture de couplage XZ-ZX, sont détaillés ici avec la reconnaissance que toute personne compétente dans l'art concerné reconnaîtra l'extension à toute architecture de processeur quantique mettant en œuvre des coupleurs non commutants. En outre, l'homme du métier appréciera queCertains algorithmes quantiques ou contraintes matérielles peuvent imposer des exigences minimales sur le nombre de qubits effectifs dans le processeur quantique et / ou le nombre de coupleurs . Les présents systèmes, procédés et appareils décrivent l'utilisation de coupleurs XX et ZZ pour simuler des coupleurs XZ et ZX, ainsi que l'utilisation de coupleurs XZ et ZX pour simuler des coupleurs XX et ZZ, prouvant ainsi qu'une paire de coupleurs non commutants dans un processeur quantique peut être utilisé pour simuler d'autres schémas de coupleurs.
[ Mon commentaire : Fondamentalement, il n'y a que peu de place; et des améliorations sont prévues.]
Dans l'application, c'est un peu moins cryptique:
La lecture est probablement plus difficile en AQC qu'en GMQC. Dans ce dernier paradigme, tous les qubits sont isolés à la fin d'un calcul. Par conséquent, on peut lire indépendamment chaque qubit dans un processeur GMQC. En revanche, AQC se termine avec l'affirmation de l'hamiltonien cible. Lorsque l'hamiltonien contient des éléments hors diagonale, la lecture pour AQC peut présenter un défi. Si le processus de lecture nécessite l'effondrement de la fonction d'onde du registre qubit, alors cet état ne sera plus un état propre de l'hamiltonien cible. Par conséquent, il est souhaitable de concevoir une méthode pour projeter simultanément les états de tous les qubits dans un processeur AQC en présence de biais et de couplages finis .