Paglalapat ng Mga Pamamaraan ng Physics na Mataas na Enerhiya sa Quantum Computing

Ang isang hugis-gulong muon detector ay bahagi ng pag-upgrade ng maliit na butil ng detektor ng ATLAS sa CERN. Ang isang bagong pag-aaral ay naglalapat ng “power-on” o mga diskarte sa pagwawasto ng error na ginamit para sa mga detektor ng maliit na buto sa mga problema sa ingay sa computing ng kabuuan. Credit sa Larawan: Julien Marius Ordan / CERN

Mga diskarteng ‘Buksan’ na ginamit upang mapagbuti ito kawastuhan Ang ilan sa data ng detektor ng maliit na butil ay maaari ding mapabuti ang pagbabasa ng mga estado ng kabuuan mula sa isang computer na kabuuan.

Ang paghiram ng isang pahina mula sa mga libro sa physics na may mataas na enerhiya, isang pangkat ng mga pisiko at siyentista sa computer sa Lawrence Berkeley National Laboratory ng Kagawaran ng Enerhiya (Berkeley Lab) ay matagumpay na inangkop at inilapat ang isang pangkaraniwang pamamaraan ng pagbawas ng error sa larangang ito. computing ng kabuuan.

Sa mundo ng mga subatomic na maliit na butil at higanteng mga detektor ng maliit na butil, mga malalayong kalawakan, at mga higanteng teleskopyo, natutunan ng mga siyentista na mabuhay at magtrabaho nang walang katiyakan. Madalas nilang subukan na kunin ang napakabihirang mga pakikipag-ugnayan ng maliit na butil mula sa isang napakalaking pagkalito ng iba pang mga pakikipag-ugnayan ng maliit na butil at background na “ingay” na maaaring gawing mahirap ang kanilang biktima, o i-filter ang mga epekto ng pagbaluktot ng atmospera at alikabok ng interstellar upang mapabuti ang resolusyon ng astronomiya. nanonood

Gayundin, ang mga likas na problema sa mga detector, tulad ng kakayahang maitala ang lahat ng mga pakikipag-ugnayan ng maliit na butil o upang tumpak na masukat ang mga enerhiya ng mga maliit na butil, ay maaaring maging sanhi ng maling pagbasa ng data ng mga electronics kung saan nakakonekta ang mga ito, kaya kailangang mag-disenyo ng mga kumplikadong filter ang form. mga algorithm ng computer upang mabawasan ang margin ng error at ibalik ang pinaka tumpak na mga resulta.

Ang mga problema sa ingay at pisikal na mga depekto at ang pangangailangan para sa pagwawasto ng error at mga algorithm ng pagbawas ng error na nagbabawas ng dalas at kalubhaan ng mga pagkakamali ay karaniwan din sa nagsisimula na larangan ng computing ng kabuuan, at isang pag-aaral na inilathala sa journal Impormasyon sa Quantum ng NPj natuklasan na ang ilang mga karaniwang solusyon ay tila mayroon din.

Ang physicist ng Berkeley Lab na si Ben Nachman ay interesado sa mga eksperimento ng maliit na pisika. CERN Bilang isang miyembro ng grupo ng ATLAS ng Berkeley Lab, nakita niya ang koneksyon ng computing ng kabuuan habang nagtatrabaho sa pagtukoy ng maliit na pisika ng Berkeley Lab na teoretikal na pisiko na si Christian Bauer, na kapwa may-akda ng pag-aaral. Ang ATLAS ay isa sa apat na higanteng detektor ng maliit na butil sa Large Hadron Collider ng CERN, ang pinakamalaki at pinakamakapangyarihang collider ng maliit na butil.

“Sa ATLAS, karaniwang kailangan naming ‘i-on o ayusin ang mga epekto ng detector,” sabi ni Nachman, nangungunang may-akda ng pag-aaral. “Ang mga tao ay nagkakaroon ng diskarteng ito sa loob ng maraming taon.”

Sa mga eksperimento sa LHC, ang mga maliit na butil na tinatawag na proton ay nagbabanggaan ng halos 1 bilyong beses sa isang segundo. Gumagamit ang mga pisiko ng mga diskarteng “pop-up” na pagwawasto ng error at iba pang mga filter upang gawin itong kalat ng mga particle na pinaka kapaki-pakinabang at tumpak upang harapin ang mga likas na problema sa hindi kapani-paniwalang abala, “maingay” na kapaligiran at iba pang mga kadahilanan na nauugnay sa paglutas ng enerhiya at mga detektor. data

“Napansin namin na ang kasalukuyang mga computer ng kabuuan ay napakalakas din,” sabi ni Nachman, kaya ang paghahanap ng isang paraan upang mabawasan ang ingay na iyon at i-minimize ang mga error – pagbawas ng error – ay susi sa pagsulong ng computing ng kabuuan. “Ang isang uri ng error ay tungkol sa aktwal na mga operasyon na iyong ginagawa, at ang isa ay tungkol sa pagbabasa ng estado ng computer na kabuuan,” aniya – ang unang uri ay kilala bilang isang error sa gate at ang pangalawa ay tinatawag na read error.

Pag-compute ng Quantum ng Mataas na Enerhiya

Ipinapakita ng mga tsart na ito ang link sa pagitan ng sunud-sunod na mga pagsukat ng physics na may mataas na enerhiya na pagsabog ng maliit na butil, na tinatawag na mga kaugalian na cross-section na sukat (kaliwa), at paulit-ulit na mga sukat ng output mula sa mga computer na kabuuan (kanan). Ang mga pagkakatulad na ito ay nagbibigay ng isang pagkakataon na mag-apply ng mga katulad na diskarte sa pagbawas ng error sa data sa parehong mga lugar. Mga Kredito: Berkeley Lab; npj Quantum Inf 6, 84 (2020), DOI: 10.1038 / s41534-020-00309-7

Ang pinakahuling gawain ay nakatuon sa isang pamamaraan upang mabawasan ang mga pagkakamali sa pagbabasa, na tinawag na “umuulit na Bayesian expansion” (IBU), pamilyar sa pamayanan ng physics na may mataas na enerhiya. Inihambing ng pag-aaral ang pagiging epektibo ng pamamaraang ito sa iba pang mga diskarte sa pagwawasto ng error at pagbawas. Ang pamamaraan ng IBU ay batay sa teorama ng Bayes ‘, na nagbibigay ng isang paraan sa matematika upang makita ang posibilidad ng isang kaganapan na nagaganap kapag may iba pang mga kilalang kondisyong nauugnay sa kaganapang ito.

Inilahad ni Nachman na ang pamamaraang ito ay maaaring mailapat sa kabuuan ng analog ng mga klasikal na kompyuter na kilala bilang unibersal na gate na nakabatay sa gate na mga computer.

Sa computing ng kabuuan na umaasa sa mga kwantum piraso o qubit upang magdala ng impormasyon, ang malutong na estado na kilala bilang bilang ng superposisyon ay mahirap mapanatili at maaaring mabulok sa paglipas ng panahon na sanhi ng isang qubit na magpakita ng zero sa halip na sa isang lugar – karaniwan ito. basahin ang halimbawa ng error.

Pinapayagan ng Superposition ang isang kabuuan ng dami upang kumatawan sa isang zero, isa o parehong dami sa parehong oras. Nagbibigay-daan ito sa natatanging mga kakayahan sa computational batay sa mga bit na kumakatawan sa isa o zero, ngunit hindi posible sa maginoo na pagkalkula na hindi kumakatawan sa pareho sa parehong oras. Ang isa pang mapagkukunan ng mga error na nabasa sa mga computer na kabuuan ay isang hindi tumpak na pagsukat ng isang estado ng qubit dahil sa arkitektura ng computer.

Sa pag-aaral, ginampanan ng mga mananaliksik ang isang computer na kabuuan upang ihambing ang pagganap ng tatlong magkakaibang mga diskarte sa pagwawasto ng error (o pagbawas ng error o pag-tripping) na mga diskarte. Nalaman nila na ang pamamaraang IBU ay mas matatag sa isang napakaingay, kapalit ng error, at gumanap nang bahagyang mas mahusay kaysa sa iba pang dalawa sa pagkakaroon ng mas karaniwang mga pattern ng ingay. Ang pagganap nito ay inihambing sa isang pamamaraan ng pagwawasto ng error na tinatawag na Ignis, na bahagi ng koleksyon ng IBM ng mga open source na kabuuan na computing software development tool na binuo para sa mga computer na kabuuan, at isang napaka pangunahing paraan ng pag-decompressing na kilala bilang pamamaraan ng pagbabalik ng matrix.

Ginamit ng mga mananaliksik ang simulated na kapaligiran sa computing computing upang makagawa ng higit sa 1,000 mga eksperimentong pseudo at nalaman na ang mga resulta ng pamamaraang IBU ay pinakamalapit sa mga hula. Ang mga modelo ng ingay na ginamit para sa pagtatasa na ito ay sinusukat sa isang 20-qubit na kabuuan ng computer na tinatawag na IBM Q Johannesburg.

“Kumuha kami ng isang pangkaraniwang pamamaraan mula sa physics ng mataas na enerhiya at inilapat ito sa computing ng kabuuan, at talagang gumana ito – tulad ng dapat,” sabi ni Nachman. Ito ay may isang matarik na curve ng pag-aaral. “Kailangan kong matutunan ang lahat ng mga uri ng bagay tungkol sa computing ng kabuuan upang matiyak na alam ko kung paano isalin ito at ilapat ito sa isang computer na kabuuan.”

Sinabi rin niya na napakaswerte niya na makahanap ng mga katuwang para sa pag-aaral na may kadalubhasaan sa computing compum sa Berkeley Lab, kasama ang: Advanced Scientific Computing Research Quantum Algorithms Team at Bert de Jong, na namuno sa proyekto ng Accelerated Research para sa Quantum Computing sa Berkeley. Computational Research Division ng Lab.

“Nakatutuwang makita kung paano ang kasaganaan ng impormasyon na binuo ng komunidad ng physics na may mataas na enerhiya upang masulit ang maingay na mga eksperimento ay maaaring magamit upang makakuha ng higit sa mga maingay na kabuuan ng mga computer,” sabi ni De Jong.

Sinabi ni Nachman na ang simulate at tunay na mga computer ng kabuuan na ginamit sa pag-aaral ay mula sa limang qubits hanggang 20 qubits, at ang pamamaraan ay dapat na masusukat sa mas malalaking mga system. Ngunit ang pagwawasto ng error at mga diskarte sa pagbawas ng error na sinubukan ng mga mananaliksik ay mangangailangan ng mas maraming mapagkukunan ng computing habang dumarami ang mga computer sa dami, kaya sinabi ni Nachman na ang koponan ay nakatuon sa paggawa ng mga pamamaraan na mas mapapamahalaan para sa mga computer na kabuuan na may mas malaking mga array ng qubits.

Si Nachman, Bauer, at de Jong ay lumahok din sa isang naunang pag-aaral na nagmungkahi ng isang paraan upang mabawasan ang mga error sa gate, ang iba pang pangunahing mapagkukunan ng mga error sa computing ng kabuuan. Naniniwala sila na ang pagwawasto ng error at pagbawas ng error sa computing ng kabuuan ay maaaring mangailangan ng isang diskarte sa paghahalo at tugma, gamit ang isang kumbinasyon ng iba’t ibang mga diskarte.

“Ito ay isang kapanapanabik na oras,” sabi ni Nachman, dahil ang larangan ng computing ng kabuuan ay bata pa at maraming lugar para sa pagbabago. “Ang mga tao ay hindi bababa sa nakakuha ng mensahe tungkol sa mga naturang diskarte, at may puwang pa para sa pag-unlad.” Sinabi niya na ang computing ng kabuuan ay nagbigay ng “isang lakas upang mag-isip tungkol sa mga problema sa isang bagong paraan” at “nagbukas ng bagong potensyal na agham.”

Sanggunian: “Ang pag-decode ng Quantum computer ng ingay sa pagbabasa” nina Benjamin Nachman, Miroslav Urbanek, Wibe A. de Jong at Christian W. Bauer, 25 Setyembre 2020, Magagamit dito. Impormasyon sa Quantum ng NPj.
DOI: 10.1038 / s41534-020-00309-7

Ang Pasilidad ng Computing ng Pamumuno ng Oak Ridge, isang pasilidad ng gumagamit ng Opisina ng DOE ng Opisina ng Oak Ridge National Laboratory, ay nagbigay sa mga mananaliksik ng pag-access sa mga mapagkukunan ng kabuuan ng computing sa IBM, kasama na ang Karanasan sa Quantum ng IBM at Q Hub Network.

Si Miroslav Urbanek mula sa Computational Research Department ng Berkeley Lab ay lumahok sa pag-aaral, na suportado ng US DOE’s Office of Science at Aspen Physics Center.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Sinabi ng mga mananaliksik na natuklasan nila ang mga misteryo ng mga buwan ng Mars

Ang artista ay maaaring pinagmulan ng pilosopiya at ang pagkamatay ng hidwaan sa pagitan ng unang buwan ng Mars at mga asteroid. Kredito:...

Mga pagkakasunud-sunod ng 64 Perpektong Mga Genome ng Tao upang mas mahusay na makuha ang pagkakaiba-iba ng genetiko

Gusali ng genome. Utang: NIH Ang Susunod na Mga Genome ng Tao ay Magsisilbing isang Bagong Sanggunian para sa Pagpaplano ng Genetic Genetic at...

Patuloy na sinusubaybayan ng bagong patch ng balat ang mga signal ng cardiovascular at antas ng biochemical

Ang malambot na nababanat na patch na ito ay maaaring sabay na kontrolin ang presyon ng dugo at antas ng biochemical ng isang gumagamit....

Ang unang pandaigdigang pagtatantya na ang kalikasan ay gumagamot ng 41.7 milyong toneladang basura ng tao sa isang taon

Ipinapakita ng larawang ito ang hindi ginagamot na dumi sa alkantarilya malapit sa mga pakikipag-ayos sa Peri-urban Hyderabad. Kredito: Tishat Poonthu Ayon sa mga...

Ang Vitamin B6 ay Makagagamot ng Mga Bagyo sa Cytokine sa COVID-19 at Hindi Mapigilan ang Mga Dugo na Nakaugnay sa Kamatayan

Ang Vitamin B6 ay maaaring makatulong na mapanatili ang mga cytokine cytokine sa COVID-19. Makakatulong ang bitamina B6 na kalmado ang mga bagyo ng cytokine...

Newsletter

Subscribe to stay updated.