芝加哥大学科学家发表了一项新技术,通过访问比传统认为更高能量级别来提高量子计算机的可靠性,量子计算领域之前的大多数研究都是处理“量子位”,这是二进制位的量子模拟,编码0或1。相反这项新研究利用了“qutrits”,即三能级trits的量子类似物,能够表示0、1或2。

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买球网站,芝加哥大学研究小组与杜克大学的研究人员一起工作。这两个小组都是EPiQC(支持实际规模的量子计算)协作的一部分,这是NSF在计算领域的一次探索。支持实际规模的量子计算跨学科研究从算法和软件开发到架构和硬件设计,最终目标是更快地实现量子计算在科学发现和计算创新方面的巨大潜力。

获取更高的能量水平

这项研究可以在计算机科学中常见的基本时空权衡背景下看待:程序可以通过使用更多内存来加速,或者程序可以通过延长运行时间来减少内存需求。但是在量子计算环境中,短期内机器在内存和运行时支持方面都受到严重限制,这两种折衷都是不可接受的。EPiQC团队发现的解决方案是打破使用二进制量子位元的抽象,芝加哥大学研究生、研究员普拉纳夫·戈卡尔解释说:虽然二进制逻辑对于传统计算机的开关物理有意义,但量子硬件本质上并不是二进制。

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事实上,量子计算机上的状态属于无限光谱,所以量子位元仅仅是使用其中两种状态的人工工程选择。该团队发现,通过qutrits允许使用三种状态,量子计算的基本运算之一在不需要额外内存的情况下,可以以指数速度加快。研究小组在真实的噪音条件下进行了模拟,验证了他们的发现。Qutrits是有代价的,因为一个额外状态存在意味着更多可能的错误来源。尽管如此,研究模拟表明,qutrits具有令人信服的优势,在短期基准测试中,它的可靠性是仅使用qubit算法的两到十倍。

消除硬件和软件之间的差距

该团队发现与EPiQC跨学科的重点(弥合量子硬件和软件之间的鸿沟)非常吻合。这项研究早期阶段是在量子信息处理大会上展示的,并在会上获得了最佳海报奖。从那以后,这项研究一直在进行微调,以匹配与超导和捕获离子量子计算机专家合作开发的复杂硬件模型。

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芝加哥大学西摩古德曼大学计算机科学教授、EPiQC首席PI的Fred
Chong指出:通过调整算法来利用量子硬件的独特功能,实现了隐藏在硬件和软件之间抽象障碍背后的效率提高。在这种情况下,硬件建模让我们重新审视并挑战了二进制运算最适合计算的传统观念,其研究现以发表在《arXiv》上。

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