ฉันกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์การคำนวณควอนตัมได้อย่างไร

ฉันกลายเป็นนักวิทยาศาสตร์การคำนวณควอนตัมได้อย่างไร

เครดิตฟรี

อ็อกซ์ฟอร์ด 5 พฤษภาคม 2559 ทุกเช้าตั้งแต่ฉันเริ่มรับทุนเมื่อ 4 เดือนก่อน ฉันตื่นมาหยิบจักรยานที่ยืมมา (ซึ่งเกือบฆ่าฉันหลายครั้ง) และขี่ข้ามเมืองอ็อกซ์ฟอร์ด จากราลีพาร์คไปยังถนนเคเบิล เว็บไซต์สำหรับกลุ่มทฤษฎีอนุภาคของสถาบันรูดอล์ฟเพียร์ลสำหรับฟิสิกส์ทฤษฎี กิจวัตรประจำวันของฉันเมื่อมาถึงที่ทำงานเริ่มต้นด้วยน้ำหนึ่งแก้ว ซึ่งฉันดื่มขณะอ่านข่าว ตามด้วยกาแฟ ซึ่งฉันชอบขณะอ่าน quant-ph และ hep-th บน arXiv วันนั้นฉันสะดุดกับข่าวที่น่าทึ่ง IBM ได้ประกาศ ” โปรเซสเซอร์ควอนตัมขั้นสูง ” ให้กับชุมชนวิทยาศาสตร์ไม่เพียง แต่สำหรับประชาชนทั่วไป โดยให้การเข้าถึงแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัมจากเดสก์ท็อปหรืออุปกรณ์พกพาผ่านคลาวด์” ฉันส่งอีเมลไปที่กลุ่มของฉันในบาร์เซโลนาทันที แน่นอนว่าพวกเขาได้อ่านข่าวเช่นกัน พวกเขาลงทะเบียนในIBM Quantum Experienceแล้วและมีแนวคิดบางอย่าง

สล็อต

เราทำงานเกี่ยวกับ Bell Inequalities มาตั้งแต่ฉันเริ่มปริญญาเอก 8 เดือนก่อนเป็นรูปธรรมเหล่านั้นมานานกว่าสอง qubits ที่รู้จักกันเป็นความไม่เท่าเทียมกัน Mermin และข้อเสนอใหม่สำหรับ qutrits เนื่องจาก IBM เสนอคอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาด 5 คิวบิต พวกเขาจึงตัดสินใจตรวจสอบว่าความไม่เท่าเทียมกันเหล่านี้ถูกละเมิดหรือไม่ ในคำอื่น ๆ เป็นอุปกรณ์ควอนตัมที่จริงควอนตัม ? Daniel Alsina ในขณะนั้นเป็นปริญญาเอก นักเรียนบอกฉันในภายหลังว่าเขาและที่ปรึกษาของเราปิดตัวเองในสำนักงานของพวกเขาจนกว่าพวกเขาจะตั้งโปรแกรมวงจรที่จำเป็นทั้งหมด ไม่ช้าก็เร็วเมื่อวันที่ 13 พฤษภาคม 2016 ฉันได้รับอีเมลพร้อมผลงานของพวกเขาที่เผยแพร่บน arXiv เอกสารฉบับแรกที่ใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมของ IBM พิสูจน์การละเมิดความไม่เท่าเทียมกันของ Mermin อุปกรณ์นั้นเป็นควอนตัมอย่างแท้จริง!
ในใจของฉันที่เป็นเหตุการณ์สำคัญในปริญญาเอกของฉัน และอาจอยู่ในอาชีพการงานของฉัน เป็นปีแรกของปริญญาเอก ฉันได้ทำงานเกี่ยวกับ Bell Inequalities และฉันกำลังเริ่มต้นงานหลักของปริญญาเอกของฉัน วิทยานิพนธ์พัวพันในฟิสิกส์อนุภาค. แต่การสร้างแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัมสาธารณะเพื่อทำการทดลองจริงบนคลาวด์ได้เปิดเส้นทางใหม่ “ทำงานถูกต้องไหม” “มันใหญ่พอที่จะตั้งโปรแกรมอัลกอริทึมควอนตัมหรือไม่” “อัลกอริธึมประเภทใดที่เราสามารถออกแบบในอุปกรณ์นั้นได้” “มันจะมีประโยชน์ในระยะสั้นได้ไหม” นี่คือคำถามบางข้อที่เข้ามาในหัวของฉัน และเป็นไปได้มากสำหรับสมาชิกคนอื่นๆ ของชุมชนคอมพิวเตอร์ควอนตัมเช่นกัน โดยเฉพาะนักทฤษฎี การคำนวณแบบคลาวด์ทำให้เราเข้าใกล้การทดลองมากขึ้น เราสามารถออกแบบและทดสอบอัลกอริทึมของเราและตรวจสอบว่าทำงานในคอมพิวเตอร์ควอนตัมในระยะใกล้หรือไม่
เมื่อฉันกลับมาจากอ็อกซ์ฟอร์ด ฉันยังคงทำงานพัวพันกับฟิสิกส์อนุภาคต่อไป แต่ฉันก็เริ่มเรียนรู้วิธีใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมด้วย ปีที่แล้ว กลุ่มของเราในมหาวิทยาลัยบาร์เซโลนาเข้าร่วมกองกำลังกับ Barcelona Supercomputing Center และเริ่มกลุ่มใหม่เกี่ยวกับการคำนวณควอนตัม พวกเราQuantic ตั้งเป้าที่จะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในพื้นที่บาร์เซโลนา โครงการใหม่นี้ทำให้ฉันได้ใกล้ชิดกับการทดลองมากยิ่งขึ้น ซึ่งน่าดึงดูดใจ ทีมทดลองเพิ่งเริ่มตั้งห้องปฏิบัติการ และเราซึ่งเป็นนักทฤษฎี ยังคงทำงานโดยใช้เครื่องมือตามปกติ ได้แก่ กระดาษ ปากกา และแล็ปท็อป ร่วมกับอุปกรณ์ควอนตัมระยะไกลที่เราสามารถเรียกใช้บนคลาวด์ได้
รางวัล “Teach Me QISKit” ของไอบีเอ็ม
ฉันชอบสำนวนภาษาสเปนที่เป็นที่นิยมซึ่งแปลว่า ” มารฉลาดกว่าเพราะแก่กว่าการเป็นมาร ” นั่นคือไม่มีอะไรมาทดแทนประสบการณ์ได้ มีการทำงานมากมายในการคำนวณควอนตัมตั้งแต่เริ่มภาคสนามในยุค 80 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีหลายรุ่นได้เสนอและปรับปรุงอัลกอริธึมควอนตัม แต่ส่วนใหญ่ยังไม่ได้รับการทดสอบในอุปกรณ์จริง เป็นช่วงเวลาที่ดีที่จะตรวจสอบวรรณกรรมและเผยแพร่ผลงานเหล่านี้
บทความมาถึงมือฉันตามคำแนะนำจากที่ปรึกษาของฉัน: “ Quantum Circuits for Strongly Correlated Quantum Systems ” โดย Frank Verstraete, Juan Ignacio Cirac และJosé Ignacio Latorre พวกเขาเสนออัลกอริธึมควอนตัมซึ่งทำแนวทแยงมุมของ Hamiltonians โดยเฉพาะโดย XY Hamiltonian วงจรนั้นทำแผนที่พื้นฐานการคำนวณเป็นลักษณะเฉพาะของแฮมิลตัน โดยการเตรียม qubits เริ่มต้นในสถานะผลิตภัณฑ์จะได้รับสถานะพื้นดินหรือสถานะตื่นเต้น พวกเขาให้ตัวอย่างของวงจรนี้สำหรับการหมุน n=4 และ n=8 โดยใช้เกตหนึ่งและสองคิวบิต แต่การดำเนินการที่จำเป็นไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของชุดพื้นฐานในอุปกรณ์ควอนตัมปัจจุบัน
ฉันตัดสินใจปรับวงจรนี้สำหรับโมเดล Ising Hamiltonian ซึ่งเป็นกรณีเฉพาะของโมเดล XY โดยใช้ประตูควอนตัมที่มีอยู่ในการทดลอง เมื่อฉันตั้งโปรแกรมวงจรนี้แล้ว ฉันก็สามารถทำการทดลองได้หลายอย่าง โมเดล Ising แบบหนึ่งมิติเป็นหนึ่งในโมเดลที่ง่ายที่สุดในการอธิบายห่วงโซ่การปั่นแบบโต้ตอบ เวอร์ชันควอนตัมแสดงการเปลี่ยนเฟสควอนตัม จากพาราแมกเนติกไปเป็นเฟอร์โรแมกเนติก ที่ค่าวิกฤตของสนามตามขวาง ไม่เหมือนกับการเปลี่ยนเฟสทางเทอร์โมไดนามิกส์ การเปลี่ยนแปลงเฟสนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแต่ขึ้นกับความผันผวนของควอนตัมที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิศูนย์ คุณสามารถสังเกตการเปลี่ยนเฟสโดยการคำนวณค่าที่คาดหวังของการสะกดจิต
อย่างไรก็ตาม มันเป็นไปได้ที่จะทำการจำลองที่น่าสนใจยิ่งขึ้นโดยใช้วงจรเฉพาะนี้ ดังที่ฉันได้กล่าวไปแล้ว วงจรนี้แมปสถานะพื้นฐานทางการคำนวณกับลักษณะเฉพาะของแฮมิลตัน ซึ่งหมายความว่าเราสามารถเข้าถึงสเปกตรัมทั้งหมดได้ ไม่ใช่แค่สถานะภาคพื้นดินเท่านั้น การใช้คุณสมบัตินี้ เราสามารถจำลองวิวัฒนาการของเวลาของสิ่งที่สังเกตได้ เช่น การทำให้เป็นแม่เหล็ก เนื่องจากจำเป็นต้องมีการจำแนกลักษณะเฉพาะของลักษณะเฉพาะทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ฉันจำลองวิวัฒนาการเวลาของการสะกดจิตสถานะ |0000>: ตัวแปรเวลาถูกจัดรูปแบบอย่างง่าย ๆ ในเฟสระหว่างการเตรียมสถานะเริ่มต้น

สล็อตออนไลน์

เนื่องจากแบบจำลอง Ising นั้นสามารถรวมเข้าด้วยกันได้ จึงสามารถแก้ไขได้ในเชิงวิเคราะห์ และวงจรควอนตัมที่ใช้นั้นสามารถทำให้เป็นแบบทั่วไปได้อย่างมีประสิทธิภาพจนถึงจำนวน qubits ที่สูงขึ้น จากนั้น วงจรนี้สามารถใช้เพื่อเปรียบเทียบคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ การทำงานทั้งหมดนี้นำไปสู่การบทความแรกของฉันเขียนโดยของตัวเอง
ขณะที่ฉันทำงานในโครงการนี้ IBM ได้ประกาศรางวัล IBM Q Awardsดังนั้นฉันคิดว่างานของฉันอาจเป็นบทช่วยสอนที่ดีในการเรียนรู้วิธีใช้ QISKit และตัวอย่างการบังคับใช้การคำนวณควอนตัมในฟิสิกส์สสารควบแน่น เห็นได้ชัดว่าผู้พิพากษาคิดเช่นเดียวกัน เพราะพวกเขาเสนองานของฉันในฐานะผู้ชนะ ฉันไม่สามารถรู้สึกเป็นเกียรติมากไปกว่านี้สำหรับการยอมรับนี้ มากยิ่งขึ้นไปอีกหลังจากตรวจสอบผลงานอันน่าทึ่งจากคนอื่นๆ ซึ่งมีให้ในบทช่วยสอน QISKitด้วย
เรากำลังดำเนินชีวิตผ่านช่วงเวลาที่น่าอัศจรรย์ โดยได้เห็นการถือกำเนิดของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการสร้างกระบวนทัศน์ใหม่ในการคำนวณ ในความคิดของฉัน การเปิดการทดลองและเครื่องมือการเขียนโปรแกรมสำหรับทุกคน ไม่เพียงแต่ทำให้วิทยาศาสตร์เป็นประชาธิปไตยเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความก้าวหน้าอีกด้วย
บ่อยครั้งที่มีคนถามฉันว่าหัวข้อที่แท้จริงของการศึกษาระดับปริญญาเอกของฉันคืออะไร จากนั้น ฉันเริ่มพูดถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมและวิธีที่พวกเขาสามารถเปลี่ยนแปลงโลกได้ในอนาคตอันใกล้ เกี่ยวกับคิวบิตและปรากฏการณ์ฟิสิกส์ควอนตัม เช่น การซ้อนและการพัวพัน ฯลฯ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นความจริงเพียงครึ่งเดียว ในขณะที่การคำนวณควอนตัม ?? เป็นจุดสนใจหลักของฉัน ฉันกำลังเข้าใกล้มันจากทิศทางที่แตกต่างจากเพื่อนร่วมงานในสาขานี้: ฉัน (ร่วมกับหัวหน้างานของฉัน Robert Wille) พยายามนำ Computer-Aided Design (CAD) มาสู่โดเมนนี้ และแม้ว่าการคำนวณด้วยควอนตัมจะทำให้เกิดความท้าทายอย่างมากที่จะแก้ไข แต่เราเชื่ออย่างยิ่งว่าอย่างน้อยบางส่วนก็สามารถแก้ไขได้อย่างดีโดยใช้วิธี CAD
ในบล็อกโพสต์นี้ ฉันต้องการเน้นถึงความจำเป็นในการใช้วิธี CAD ในด้านการคำนวณควอนตัม และแสดงให้เห็นว่าภูมิหลังของฉันใน CAD ช่วยให้ชนะ QISKit Developer Challenge ได้อย่างไร ด้วยเหตุนี้ ฉันต้องการกระตุ้นให้ผู้คนเข้าร่วมเฉพาะกลุ่มที่น่าสนใจนี้ เนื่องจากต้องใช้วิธี CAD มากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมเริ่มเป็นจริงและความเที่ยงตรง เวลาเชื่อมโยงกัน และจำนวนของ qubits ที่พร้อมใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การแก้ปัญหาการออกแบบบางอย่างด้วยมือกลายเป็นไปไม่ได้และต้องใช้วิธีการอัตโนมัติ
แต่ทีละอย่าง: เมื่อต้นปี 2018 IBM ได้เริ่มความท้าทายหลายประการเพื่อส่งเสริมให้ผู้คนใช้ประโยชน์จาก IBM Q Experience และแพลตฟอร์มการพัฒนา IBM QISKit หนึ่งในนั้นคือ IBM QISKit Developer Challenge ซึ่งขอคอมไพเลอร์ที่แมปวงจรที่ประกอบด้วยการดำเนินการแบบสุ่มจาก SU (4) กับโทโพโลยีฮาร์ดแวร์ควอนตัม ส่วนสำคัญของคอมไพเลอร์ดังกล่าวคือ (1) เพื่อแยกการทำงานออกเป็นการดำเนินการเบื้องต้น และ (2) เพื่อค้นหาการแมปของ qubit เชิงตรรกะ (จากวงจร) ไปยัง qubit จริงที่มีอยู่ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมจริง

jumboslot

โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนที่สองมีความสำคัญ เนื่องจากการดำเนินการบางอย่างสามารถทำได้บนคู่ของฟิสิคัล qubits เท่านั้น (เช่น รูปที่ 1 แสดง coupling map ซึ่งกำหนดว่าคู่ของ qubit จริงสามารถโต้ตอบในการดำเนินการที่เกิดขึ้นบนสถาปัตยกรรม IBM QX5 ). เพื่อที่จะเคารพข้อจำกัดเหล่านี้ การดำเนินการที่เรียกว่า SWAP มักถูกนำไปใช้เพื่อแลกเปลี่ยนสถานะของ qubit ทางกายภาพสองตัว และด้วยเหตุนี้ ย้าย qubit เชิงตรรกะเพื่อให้สามารถรับรู้การดำเนินการที่ต้องการ รูปที่ 2 แสดงกระบวนการ: ขั้นแรก (ด้านซ้ายมือของรูปที่ 2) แสดงวงจรควอนตัมที่ต้องการซึ่งรวมถึงการดำเนินการหลายอย่างบน qubits ซึ่งไม่ได้รับอนุญาตตามแผนที่การมีเพศสัมพันธ์ในรูปที่ 1 แต่การเพิ่มการดำเนินการ SWAP ดังที่แสดงไว้ทางด้านขวามือของรูปที่ 2 จะย้าย qubits ทั้งหมดไปยังตำแหน่งเพื่อให้สอดคล้องกับข้อจำกัดที่กำหนดโดยแผนที่ coupling อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ต้นทุนต่ำและเพิ่มความเที่ยงตรงของระบบ จำนวนของการดำเนินการ SWAP เหล่านี้ควรให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งเป็นปัญหา CAD ทั่วไป
อันที่จริง ปัญหาไม่ใช่เรื่องใหม่สำหรับฉันเลย เนื่องจากในการศึกษาระดับปริญญาเอกของฉัน ฉันได้พัฒนาอัลกอริธึมการทำแผนที่ดังกล่าวสำหรับสถาปัตยกรรม QX ของ IBM แล้ว (ซึ่งฉันได้รวมไว้ใน QISKit ด้วย) อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่าประเภทของวงจรสุ่มที่พิจารณาในความท้าทายนั้นเป็นสถานการณ์กรณีที่เลวร้ายที่สุดสำหรับอัลกอริธึมการทำแผนที่นี้ เนื่องจากอัลกอริธึมการค้นหาที่ใช้จะสำรวจพื้นที่การค้นหาแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลส่วนใหญ่เกินไป ดังนั้นฉันจึงเริ่มวิเคราะห์วงจรที่พิจารณาในความท้าทายของนักพัฒนาและสาเหตุที่ทำให้เกิดปัญหากับอัลกอริทึมก่อนหน้าของฉัน ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงได้แนวคิดใหม่ที่หลีกเลี่ยงปัญหาคอขวดของแนวทางการทำแผนที่ครั้งก่อนของฉัน และใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะของวงจรที่พิจารณาเพื่อลดค่าใช้จ่ายที่เกิดขึ้น ยิ่งกว่านั้น ฉันไม่ได้สนใจแค่การทำแผนที่เท่านั้น (เหมือนเมื่อก่อน)
สามขั้นตอนทำงานดังนี้:
ขั้นแรก ขั้นตอนก่อนการประมวลผลจะดำเนินการเพื่อลดความซับซ้อน (เช่น จำนวนการดำเนินการ) ของวงจรที่จะทำแผนที่ การประมวลผลล่วงหน้านี้ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างของวงจร ซึ่งช่วยให้สามารถจัดกลุ่มการดำเนินการโดยเฉพาะได้ การเพิ่มการดำเนินการ SWAP สำหรับทั้งกลุ่มแทนที่จะเพิ่มหลายครั้งสำหรับการดำเนินการครั้งเดียวช่วยลดความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายได้อย่างมาก
หลังจากนั้นจะพิจารณาปัญหาการทำแผนที่จริงในขั้นตอนที่สอง หลังจากกำหนดการทำแผนที่เริ่มต้น (โดยพลการ) ขั้นตอนการทำแผนที่จริงประกอบด้วยสองขั้นตอนสลับกัน: ขั้นแรก การดำเนินการตามลำดับของทุกกลุ่มที่ตรงตามข้อจำกัดและการขึ้นต่อกันอยู่แล้วจะถูกเพิ่มเข้าไปในวงจร จากนั้นกำหนดชุดของกลุ่มที่สามารถเพิ่มต่อไป (ตามลำดับความสำคัญในวงจร) เนื่องจากทั้งหมดยังไม่เป็นไปตามข้อจำกัด วิธีการ A* (โซลูชันที่มีประสิทธิภาพซึ่งเป็นเรื่องปกติในโดเมน CAD) จะกำหนดลำดับการดำเนินการ SWAP ที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้เป็นไปตามข้อจำกัดสำหรับกลุ่มเหล่านี้อย่างน้อยหนึ่งกลุ่ม
[NPC5]สุดท้ายนี้ วงจรผลลัพธ์ยังคงมีศักยภาพที่สำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพอันเนื่องมาจากการดำเนินการ (จัดกลุ่มใหม่) และการดำเนินการ SWAP ที่เป็นผลลัพธ์ เพื่อใช้ประโยชน์จากสิ่งนั้น กระบวนการหลังการทำแผนที่จะถูกนำมาใช้ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะรวบรวมกลุ่มใหม่อีกครั้ง ส่งผลให้ลดต้นทุนได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งทำงานได้ดีเมื่อใช้การดำเนินการเกต SWAP กับสอง qubits ซึ่งการดำเนินการจาก SU (4) ได้ถูกนำมาใช้ก่อนหน้านี้ ในกรณีนี้ การดำเนินการ SWAP