Concepten van hybride kwantumcomputing

Alle kwantumcomputing is in zekere zin hybride. De vroegste kwantumsystemen gebruikten klassieke processen om instructies naar de kwantumcomputer te verzenden en de resulterende gegevens te ontvangen en te verwerken. De meest geavanceerde hybride architecturen bieden een strakkere en uitgebreidere integratie tussen klassieke berekeningen en kwantumberekeningen, waardoor de uitvoeringstijd wordt versneld en de deur wordt geopend voor een nieuwe generatie algoritmen. Klassieke computing is bijvoorbeeld vaak sneller en efficiënter dan kwantumcomputing voor bepaalde taken, zoals gegevensverwerking en -analyse. Kwantumcomputing presteert echter beter voor bepaalde soorten optimalisatie- en simulatieproblemen.

Klassieke en kwantumregisters

Hoewel in kwantumcomputing de klassieke en kwantumprocessors nauw zijn geïntegreerd, zijn ze nog steeds afzonderlijke fysieke entiteiten en kunnen hybride kwantumcomputingprogramma's profiteren van elk van hun mogelijkheden.

Een klassiek register maakt gebruik van de vertrouwde architectuur op basis van siliciumchips en is het meest geschikt voor bewerkingen zoals het verzenden van instructies naar de kwantumprocessor, het vastleggen van meetresultaten en het gebruik van die resultaten om de volgende set instructies te bepalen.

Een kwantumregister is een systeem dat bestaat uit meerdere qubits. Kwantumcomputers blinken uit bij het uitvoeren van complexe berekeningen door hun qubits binnen een kwantumregister te bewerken.

Meting van mid-circuit

Middencircuitmeting is het proces van het uitvoeren van kwantumtoestandmetingen op verschillende punten tijdens de uitvoering van het programma, in plaats van alleen aan het einde. Deze metingen worden gebruikt om informatie te verkrijgen over de tussenliggende statussen van het systeem en worden door de klassieke code gebruikt om realtime beslissingen te nemen over de stroom van het programma. Metingen in het middencircuit fungeren ook als foutcorrectie 'sanity checks' door de status van het circuit op een bepaald punt te controleren voordat ze verdergaan, en zijn nauw gerelateerd aan het hergebruik van qubits.

Qubit opnieuw gebruiken

De huidige kwantumcomputers kunnen een toenemend aantal qubits ondersteunen. We zijn echter nog lang niet in staat om de miljoenen qubits te ondersteunen die nodig zijn om volledig fouttolerante berekeningen uit te voeren. Zie Inleiding tot resourceschatting voor meer informatie over de benodigde schaal van kwantumcomputers. Daarnaast is het wenselijk om zo weinig mogelijk qubits te gebruiken.

Qubit hergebruik is de praktijk van het ontwerpen van circuits om dezelfde qubit meerdere keren te gebruiken in een kwantumberekening om het totale aantal qubits te minimaliseren dat nodig is om uw programma uit te voeren. Na het uitvoeren van een middelste circuitmeting en het verwerken van het resultaat, kan die qubit bijvoorbeeld opnieuw worden ingesteld en opnieuw worden gebruikt voor een andere berekening in plaats van een nieuwe qubit toe te wijzen. Er zijn verschillende technieken voor het hergebruik van qubits in kwantumcomputing, zoals kwantumteleportatie, kwantumfoutcorrectie en kwantumcomputing op basis van metingen.

Foutbeperking

Om de huidige kwantumhardware beter bestand te maken tegen fouten en ruis, kunnen logische qubits worden gebruikt. Logische qubits worden gemaakt met behulp van meerdere fysieke qubits om kwantumgegevens te coderen en te beveiligen. Omdat er echter meerdere qubits moeten worden gebruikt om één logische qubit te maken, wordt het totale aantal qubits dat voor berekeningen kan worden gebruikt, verminderd. Naarmate de mogelijkheid van hardware om meer fysieke qubits te ondersteunen toeneemt, neemt ook de fouttolerantiemogelijkheden toe.

Naast het gebruik van logische qubits kunnen fouten in kwantumberekeningen worden beperkt door technieken zoals meerdere metingen te gebruiken, algoritmen te ontwerpen die het aantal benodigde bewerkingen verminderen of parameters op kwantumpoorten aan te passen om de impact van ruis te verminderen.

Foutcorrectie en fouttolerantie

Foutcorrectie en fouttolerantie zijn kritieke aspecten van kwantumcomputing, omdat qubits meer gevoelig zijn voor fouten dan klassieke bits vanwege de delicate aard van kwantumtoestanden, en zeer fouttolerante systemen zijn nodig om de volledige voordelen van gedistribueerde hybride kwantumcomputing te bereiken. In klassieke computing kunnen fouten worden gecorrigeerd door redundantie toe te voegen aan de berekening en foutcorrectiecodes te gebruiken. Traditionele foutcorrectietechnieken zijn echter niet rechtstreeks van toepassing op kwantumcomputing, omdat ze afhankelijk zijn van de mogelijkheid om de berekening meerdere keren te herhalen, wat niet mogelijk is in kwantumcomputing vanwege de stelling zonder klonen.

Floquet-codes zijn een nieuwe klasse van foutcorrectiecodes die dynamisch reageren op ruis en fouten, in plaats van traditionele correctiecodes die bescherming bieden tegen statische fouten. Zie Foutcorrectie met Floquet-codes voor meer informatie.

Hybride algoritmen

• Variational Quantum Eigensolver (VQE): een kwantum algoritme voor kwantumchemie, kwantumsimulaties en optimalisatieproblemen en wordt gebruikt om de grondtoestand van een bepaald fysiek systeem te vinden. De klassieke computer wordt gebruikt om kwantumcircuits met bepaalde parameters te definiëren. Nadat de kwantumstatus is gemeten, evalueert de klassieke computer hoe de parameters moeten worden verbeterd en verzendt de circuits vervolgens opnieuw. VQE's zijn meestal langlopende programma's die kunnen profiteren van een strakkere integratie van hybride kwantumcomputing.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) - ook een variatieal kwantumalgoritme, het wordt gebruikt voor het vinden van geschatte oplossingen voor combinatoriële optimalisatieproblemen - problemen waarbij het aantal mogelijke oplossingen extreem groot wordt met de grootte van het probleem. Het is een actief onderzoeksveld om de toepasbaarheid ervan te identificeren voor toepassingen zoals luchtverkeersleiding, scheepvaart- of leveringsroutes of financiële optimalisaties.
• Iteratieve faseschatting : is een andere methode voor het uitvoeren van kwantumfase-schattingen, waarmee de fase van een eenheidsoperator wordt geschat, en wordt gebruikt in veel andere kwantumalgoritmen. Bij beide methoden wordt een reeks draaipoorten gebruikt om de fase te bepalen, maar bij een iteratieve faseschatting wordt gebruikgemaakt van het klassieke register om informatie en berekeningen over poortmetingen op te slaan. Dit vermindert het aantal vereiste qubits en minimaliseert ruis en fouten.

Ga naar de Quantum Algorithm Zoo voor meer informatie over kwantumalgoritmen.