Teknik Kompresi Sirkuit Baru Dapat Memberikan Komputer Quantum Dunia Nyata Bertahun-Tahun Sebelum Perencanaan

Kompresi rangkaian yang memiliki volume awal 882 menggunakan metode yang diusulkan. Sirkuit tereduksi memiliki volume 420, kurang dari setengah volume aslinya. Kredit: © Institut Informatika Nasional

Tantangan teknis utama untuk komputer kuantum dunia nyata praktis datang dari kebutuhan sejumlah besar qubit fisik untuk menangani kesalahan yang terakumulasi selama komputasi. Koreksi kesalahan kuantum seperti itu sangat membutuhkan sumber daya dan memakan waktu. Tetapi para peneliti telah menemukan metode perangkat lunak yang efektif yang memungkinkan kompresi signifikan sirkuit kuantum, mengurangi tuntutan yang ditempatkan pada pengembangan perangkat keras.

Komputasi kuantum bahkan mungkin jauh dari kenyataan komersial, tetapi apa yang disebut “keunggulan kuantum” – kemampuan komputer kuantum untuk menghitung ratusan atau ribuan kali lebih cepat daripada komputer konvensional – sebenarnya telah tercapai apa yang disebut Noisy Intermediate- Quantum Scale Devices (NISQ) dalam eksperimen uji prinsip awal.

Sayangnya, perangkat NISQ masih rentan terhadap banyak error yang menumpuk selama pengoperasiannya. Agar ada aplikasi keuntungan kuantum di dunia nyata, perlu untuk merancang komputer kuantum skala besar yang beroperasi penuh dengan toleransi kesalahan yang tinggi. Saat ini, perangkat NISQ dapat direkayasa dengan sekitar 100 qubit, tetapi komputer yang toleran terhadap kesalahan memerlukan setidaknya jutaan qubit fisik untuk menyandikan informasi logis dengan tingkat kesalahan yang cukup rendah. Implementasi sirkuit komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan tidak hanya membuat komputer kuantum lebih besar, tetapi juga waktu proses yang lebih lama untuk urutan besarnya. Runtime yang diperpanjang itu sendiri pada gilirannya berarti bahwa komputer lebih rentan terhadap kesalahan.

Sementara kemajuan perangkat keras dapat mengatasi kesenjangan sumber daya ini, para peneliti di National Institute of Informatics (NII) dan Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) di Jepang telah mengatasi masalah ini dari sisi pembangunan. perangkat lunak yang mengompresi sirkuit kuantum skala besar yang toleran terhadap kerusakan komputer kuantum, berpotensi mengurangi kebutuhan untuk perbaikan perangkat keras.

“Dengan mengompresi sirkuit kuantum, kami dapat mengurangi ukuran komputer kuantum dan runtime-nya, yang pada gilirannya mengurangi persyaratan untuk perlindungan kesalahan,” kata Michael Hanks, peneliti di NII dan salah satu penulis. dari sebuah artikel, diterbitkan 11 November 2020, di Revista Fisica X.

Arsitektur kuantum komputer kuantum bergantung pada kode koreksi kesalahan agar berfungsi dengan benar, yang paling umum digunakan adalah kode permukaan dan variannya.

Para peneliti telah fokus pada kompresi sirkuit dari salah satu varian ini: kode topologi 3D. Kode ini bekerja sangat baik untuk pendekatan komputasi kuantum terdistribusi dan memiliki penerapan yang luas untuk berbagai jenis perangkat keras. Dalam kode topologi 3D, sirkuit kuantum terlihat seperti tabung atau tabung interlaced, dan biasanya disebut “sirkuit interlaced. Diagram 3D dari sirkuit interlaced dapat dimanipulasi untuk memampatkan dan mengurangi volume yang ditempati. menyatakan bahwa “manipulasi pipa” harus dilakukan secara ad-hoc. Selain itu, hanya ada sebagian aturan tentang cara melakukannya.

“Pendekatan kompresi sebelumnya tidak dapat menjamin apakah sirkuit kuantum yang dihasilkan benar,” kata rekan penulis Marta Estarellas, seorang peneliti di NII. “Seseorang harus sangat berhati-hati untuk memeriksa kebenarannya setiap kali salah satu aturan kompresi ini diterapkan. Ini adalah masalah penting, karena aktivitas seperti itu sama sulitnya dengan mengelola seluruh sirkuit kuantum.”

Tim peneliti mengusulkan penggunaan ZX-kalkulus sebagai bahasa untuk kompilasi tahap menengah ini. Kalkulus ZX adalah bahasa skematik 2D (menggunakan diagram dan gambar alih-alih kata-kata) yang dikembangkan pada akhir tahun 2000-an secara khusus untuk memungkinkan representasi proses qubit yang intuitif. Dan yang paling penting, ia dilengkapi dengan seperangkat aturan penanganan yang lengkap.

Dalam makalah mereka, para peneliti mengeksploitasi ZX-kalkulus dengan menemukan hubungan terjemahan antara ZX-kalkulus dan komponen rangkaian interlaced. Para peneliti menunjukkan bahwa dua representasi rangkaian gerbang logika ini dapat dipetakan satu sama lain dengan mengidentifikasi interpretasi baru yang telah disembunyikan dalam kalkulus ZX sejak saat itu.

Bahasa ZX-kalkulus dapat menerapkan seperangkat aturan transformasi untuk mengubah struktur rangkaian tanpa mengubah makna matematika yang mendasarinya (dan dengan demikian pengoperasiannya) dan dengan demikian memastikan kebenarannya. Dengan secara hati-hati memodifikasi struktur konseptual tersebut, volume rangkaian dapat diminimalkan, mencapai tingkat kompresi yang cukup besar setelah struktur baru ini dipetakan ke rangkaian kuantum yang terjalin saat ini.

Menerapkan teknik ini, para peneliti melaporkan pengurangan kompresi hingga 77 persen, setara dengan pengurangan 40 persen dibandingkan upaya terbaik sebelumnya.

“Metode kompresi dan pengembangan lebih lanjutnya dapat memberikan realisasi komputer kuantum yang toleran terhadap kekurangan dunia nyata beberapa tahun lebih cepat dari jadwal,” kata William J. Munro, ilmuwan peneliti di NTT, yang juga berkontribusi pada penelitian.

“Menariknya, ini juga bisa menjadi dasar untuk pengembangan sistem operasi di masa depan,” kata Kae Nemoto, Direktur Pusat Riset Global untuk Ilmu Informasi Kuantum di NII. “Diperlukan waktu beberapa tahun agar pengembangan perangkat lunak ini dapat diterapkan di komputer kuantum yang dapat diskalakan sepenuhnya, tetapi metode kami dapat menghemat banyak upaya yang terkait dengan pengembangan perangkat keras untuk sementara waktu.”

Referensi: “Kompresi Efektif Sirkuit Interlaced Quantum Berbantuan ZX-Kalkulus” oleh Michael Hanks, Marta P. Estarellas, William J. Munro, dan Kae Nemoto, 11 November 2020, Revista Fisica X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.041030

Tentang Organisasi Riset Sistem dan Informasi (ROIS)

ROIS adalah organisasi induk dari empat institut nasional (Institut Riset Kutub Nasional, Institut Informatika Nasional, Institut Matematika Statistik dan Institut Genetika Nasional) dan Pusat Dukungan Bersama untuk Riset dalam Ilmu Data. Itu adalah misi ROIS untuk mempromosikan penelitian mutakhir yang terintegrasi yang melampaui hambatan lembaga ini, serta memfasilitasi kegiatan penelitian mereka, sebagai anggota lembaga penelitian antar universitas.

Tentang Institut Informatika Nasional (NII)

NII adalah satu-satunya lembaga penelitian akademis di Jepang yang didedikasikan untuk disiplin baru ilmu komputer. Misinya adalah untuk “menciptakan nilai masa depan” dalam komputasi. NII melakukan penelitian dasar jangka panjang dan penelitian praktis yang bertujuan untuk memecahkan masalah sosial di berbagai bidang penelitian komputer, dari teori dasar hingga topik terbaru, seperti kecerdasan buatan, data besar, Internet of Things, dan keamanan informasi.

Sebagai lembaga penelitian antar universitas, NII membangun dan mengelola infrastruktur informasi akademik yang penting untuk kegiatan penelitian dan pendidikan seluruh sivitas akademika (termasuk Jaringan Informasi Ilmiah) dan mengembangkan layanan seperti yang memungkinkan penyediaan konten akademik dan platform layanan.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ada lebih banyak genetika daripada DNA

Ahli biologi di Inggris dan Austria telah mengidentifikasi 71 gen baru pada tikus. Ahli biologi di Universitas Bath dan Wina telah menemukan 71 gen baru...

Untuk mencegah kelaparan, adaptasi iklim membutuhkan miliaran investasi tahunan tambahan

Investasi dalam penelitian pertanian, pengelolaan air, infrastruktur dapat mencegah pertumbuhan kelaparan yang disebabkan oleh iklim. Untuk mencegah dampak perubahan iklim pada tahun 2050, yang memaksa...

Teknologi Ultra Tipis Canggih untuk Merevolusi Penglihatan Malam – “Kami Membuat Yang Tak Terlihat Terlihat”

Dr. Rocio Camacho Morales mengatakan para peneliti membuatnya "tidak terlihat, terlihat." Kredit: Jamie Kidston, Universitas Nasional Australia Biar ringan! Film ultra-tipis suatu hari...

Maju dalam dekomposisi CO2 dengan efisiensi tinggi

ARA. 1: Metode sintesis fotokatalis tiga komponen baru. Sebuah nanotube karbon enkapsulasi molekul yodium direndam dalam larutan perak nitrat (AgNO3) berair untuk menghasilkan...

Satelit Terkemuka di Lautan – Copernicus Sentinel-6 – Hidup!

Copernicus Sentinel-6 menggunakan mode inovatif yang diselingi dengan altimeter radar frekuensi ganda Poseidon-4 (C- dan Ku-band), yang telah meningkatkan kinerja dibandingkan dengan desain altimeter...

Newsletter

Subscribe to stay updated.