Novi hibridni platforma za kvantnu simulaciju magnetizma

21. travnja 2025. – Trond I. Andersen, Senior Research Scientist, i Nikita Astrakhantsev, Research Scientist, Google Quantum AI

U razvoju smo novu hibridnu metodu kvantne simulacije koja omogućuje znanstvene otkriće i otvara nove mogućnosti za aplikacije koje prelaze klasične granice. Brzi linkovi Paper ×

Cilj kvantnog računarstva

Glavni cilj kvantnog računarstva je kvantna simulacija fizičkih sustava koji su previše složeni za proučavanje čak i na najmoćnijim klasičnim računalima. Da bi se to postiglo, dvije su osobine posebno važne: fleksibilnost i brzina. Prvo, kvantni računalo mora biti dovoljno fleksibilno da se bavi širokim rasponom relevantnih problema. Drugo, jer je ključni izazov u kvantnoj simulaciji utjecaj sustava šuma tijekom simulacije, simulirani dinamički procesi moraju biti dovoljno brzi da bi se dosegli zanimljivi kvantni stanovi prije nego što šum postane dominantan. U našem nedavnom radu, “Thermalization and criticality on an analogue–digital quantum simulator”, objavljenom u Nature, pokazali smo kako hibridni pristup koji kombinira analognu i digitalnu kvantnu simulaciju koristeći uređaj s 69 kvbita može postići i fleksibilnost i brzinu. Iskoristivši ovu novu tehniku, proučavali smo paradigmatski model kvantne magnetike i otkrili iznenađujuće iznimku od široko korištene fizičke teorije.

Snaga analogno-digitalne kvantne simulacije

Da biste u potpunosti razumjeli učinkovitost ovog hibridnog pristupa, moramo pojedinačno razmotriti njegova dva načina rada. Kao primjer, razmotrimo simulaciju tri čestice koje međusobno djeluju. U digitalnoj kvantnoj simulaciji evolucija tri čestice dijeli se na mnoge manje operacije (logičke kapije) u kojima pojedinačni parovi čestica međusobno djeluju. Simuliramo to aktiviranjem spojeva između odgovarajućih parova kvbita. Izgradnja digitalne simulacije iz ovih manjih gradivnih elemenata pruža ogromnu fleksibilnost, ali sporo se izvodi jer se bilo koji zadani kvbit u bilo kojem trenutku samo s jednim od četiri susjedna kvbita. Analogni kvantni simulator, s druge strane, direktno simulira kontinuirani dinamiku ovih čestičnih interakcija aktiviranjem svih spojeva između kvbita u isto vrijeme. To je više slično realnim svjetskim dinamikama; nakon svega, realne čestice ne djeluju sekvenijalno na parni način, već sve u isto vrijeme. Ključno je da aktiviranje svih spojeva omogućuje brži dinamiku. Konkrétnije, omogućuje brži rast kvantne prepletenosti, ključnog resursa kvantnog računarstva.

Kombiniranje ova dva pristupa donosi zajedno fleksibilnost digitalnih metoda s brzim rastom prepletenosti analogne simulacije. Visokoprezicijska analogna dinamika s novim kalibracijskim shemom

Ključni prepreka za ostvarivanje hibridnog pristupa na superprovodničkom kvantnom hardveru je kalibracija analognog dijela. Dok digitalna simulacija uglavnom zahtijeva kalibraciju svakog pojedinog operacije, slično kao izvođenje serije dobro proučavanih plesačkih poteza, analogna simulacija je kao izvođenje svih plesačkih poteza u isto vrijeme. To je teško jer se efekti spojeva međusobno utječu, tako da ukupni rezultat nije jednak zbroju svakog spoja koji djeluje samostalno. Uspjeli smo riješiti ovaj izazov razvijajući novi kalibracijski shemu koji uključuje skup pažljivo odabranih kalibracijskih eksperimenata kombiniranih s izuzetno preciznim modeliranjem podložnog hardvera. Time omogućujemo plesati vrlo precizno s usporedivom točnošću kao što je u digitalnom modu.

Hibridna analogno-digitalna kvantna simulacija

U hibridnom pristupu koristimo digitalne kapije za pripremu početnog stanja (lijevo), zatim evoluiramo do zanimljivih kvantnih stanja s visokoprezicijskom analognom dinamikom (sredina) i na kraju se vratimo u digitalni mod za karakterizaciju konačnog stanja (desno). Benchmarking performansi našeg novog analognog kalibracijskog tehnike koristili smo eksperiment poznat kao random circuit sampling. Konkretno, koristili smo analogni razvoj da bismo dosegli kaotični kvantni stanja, tj. superpoziciju svih mogućih sekvenci bitova koji sadrže jednako mnogo 1 i 0. Na primjer, ako bismo imali samo četiri kvbita, bilo bi vjerojatnost da sustav nađe u 1010-stanju, drugu vjerojatnost da je u 1100-stanju i tako dalje. Zatim smo mjerenje distribucije ovih vjerojatnosti ponavljajući čitanje stanja sustava i usporedili ga s našom teorijskom predviđanjem. Ovo istraživanje otkrilo je dva ključna uvida: Prvo, pokazalo je da naš analogni simulator brzo doseže kaotični stanja, omogućujući pristup vrlo složenim (tj. vrlo prepletenim) kvantnim stanjima s vrlo slabim utjecajima šuma. Drugo, pokazalo je da je mjereni raspored vrlo dobro podudara s teorijski predviđenim, što ukazuje da naša kalibracija omogućuje analognu simulaciju s vrlo visokom preciznošću. Posebno, otkrili smo da je naš hibridni pristup u stanju simulirati složene kvantne sisteme s visokom vjerojatnošću, što je ključno za buduće aplikacije kvantnog računarstva.

Zaključak

U ovom članku istražili smo novu hibridnu platformu za kvantnu simulaciju magnetizma. Kombinacija analogne i digitalne kvantne simulacije omogućuje fleksibilnost i brzinu, što je ključno za proučavanje složenih kvantnih sistema. Novi kalibracijski shema omogućuje visokoprezicijsku analognu dinamiku, što je važno za dostizanje zanimljivih kvantnih stanja. Naš rad pokazuje da je hibridni pristup sposoban simulirati složene kvantne sisteme s visokom vjerojatnošću, što ima veliku potencijalnu vrijednost za buduće aplikacije kvantnog računarstva.

Česta pitanja

Koji su prednosti hibridne kvantne simulacije?

Hibridna kvantna simulacija kombinira prednosti analogne i digitalne simulacije. Analogna simulacija omogućuje brzi rast kvantne prepletenosti, dok digitalna simulacija pruža veliku fleksibilnost. Kombinacija ova dva pristupa omogućuje brzu i fleksibilnu simulaciju složenih kvantnih sistema.

Kako se kalibrira analogni dio hibridne platforme?

Kalibracija analognog dijela hibridne platforme obavlja se pomoću novog kalibracijskog sheme koji uključuje skup pažljivo odabranih kalibracijskih eksperimenata kombiniranih s izuzetno preciznim modeliranjem podložnog hardvera. Ovo omogućuje visokoprezicijsku analognu dinamiku.

Koji su primjeni hibridne kvantne simulacije?

Hibridna kvantna simulacija može se primijeniti u raznim područjima, uključujući proučavanje kvantne magnetike, materijala i hemijskih reakcija. Ima veliku potencijalnu vrijednost za buduće aplikacije kvantnog računarstva.

Koliko je brza hibridna kvantna simulacija?

Hibridna kvantna simulacija omogućuje brzi rast kvantne prepletenosti, što je ključno za dostizanje zanimljivih kvantnih stanja prije nego što šum postane dominantan. Naš rad pokazuje da je hibridni pristup u stanju simulirati složene kvantne sisteme s visokom vjerojatnošću.

Koji su izazovi u razvoju hibridne kvantne simulacije?

Glavni izazov u razvoju hibridne kvantne simulacije je kalibracija analognog dijela. Druga prepreka je simulacija složenih kvantnih sistema s visokom vjerojatnošću. Međutim, naš rad pokazuje da je hibridni pristup sposoban premoći ove izazove i simulirati složene kvantne sisteme s visokom vjerojatnošću.