Hibrit kuantum bilişimi kavramları

Tüm kuantum bilişimi bir anlamda karmadır. En eski kuantum sistemleri klasik işlemleri kullanarak kuantum bilgisayarına yönergeler gönderir ve sonuçta elde edilen verileri alır ve işler. En gelişmiş hibrit mimariler, klasik ve kuantum hesaplamaları arasında daha sıkı ve daha zengin bir tümleştirme getirerek yürütme süresini hızlandırıp yeni nesil algoritmalara kapı açar. Örneğin, klasik bilgi işlem genellikle veri işleme ve analiz gibi belirli görevler için kuantum bilişiminden daha hızlı ve daha verimlidir. Ancak kuantum bilişimi belirli iyileştirme ve simülasyon sorunları için daha iyi performans gösterir.

Klasik ve kuantum yazmaçları

Kuantum bilişiminde, klasik ve kuantum işlemcileri sıkı bir şekilde tümleştirilmiş olsalar da, bunlar yine de ayrı fiziksel varlıklardır ve hibrit kuantum bilişim programları bu özelliklerin her birini kullanabilir.

Klasik kayıt, tanıdık silikon yonga tabanlı mimariyi kullanır ve kuantum işlemcisine yönergeler gönderme, ölçüm sonuçlarını yakalama ve sonraki yönerge kümesini belirlemek için bu sonuçları kullanma gibi işlemler için idealdir.

Kuantum yazmaç, birden çok kubit içeren bir sistemdir. Kuantum bilgisayarlar, kubitlerini bir kuantum yazmacı içinde işleyerek karmaşık hesaplamalar yapma konusunda mükemmeldir.

Orta devre ölçümü

Orta devre ölçümü, programın yürütülmesi sırasında yalnızca sonunda değil, çeşitli noktalarda kuantum durumu ölçümleri gerçekleştirme işlemidir. Bu ölçümler sistemin ara durumları hakkında bilgi almak için kullanılır ve klasik kod tarafından programın akışı hakkında gerçek zamanlı kararlar almak için kullanılır. Orta devre ölçümleri, devam etmeden önce devrenin durumunu belirli bir noktada doğrulayarak hata düzeltmesi "sanity checks" olarak da görev yapar ve kubitin yeniden kullanımıyla yakından ilgilidir.

Qubit yeniden kullanımı

Günümüzün kuantum bilgisayarları artan sayıda kubiti destekleyebiliyor. Ancak, tamamen hataya dayanıklı hesaplamalar çalıştırmak için gereken milyonlarca kubiti desteklemekten hala çok uzağız. Gereken kuantum bilgisayarların ölçeği hakkında daha fazla bilgi için bkz. Kaynak tahminine giriş. Ayrıca, mümkün olduğunca az kubit kullanılması tercih edilir.

Kubit yeniden kullanımı, programınızı çalıştırmak için gereken toplam kubit sayısını en aza indirmek için bir kuantum hesaplamasında aynı kubiti birden çok kez kullanacak şekilde devreleri tasarlama uygulamasıdır. Örneğin, bir orta devre ölçümü gerçekleştirdikten ve sonucu işledikten sonra, bu kubit yeni bir kubit ayırmak yerine başka bir hesaplama için sıfırlanabilir ve yeniden kullanılabilir. Kuantum bilişiminde kubitleri yeniden kullanmak için kuantum ışınlaması, kuantum hata düzeltmesi ve ölçüm tabanlı kuantum bilişimi gibi çeşitli teknikler vardır.

Hata azaltma

Geçerli kuantum donanımını hataya ve kirliliklere karşı daha sağlam hale getirmek için mantıksal kubitler kullanılabilir. Mantıksal kubitler, kuantum bilgilerini kodlamak ve korumak için birden çok fiziksel kubit kullanılarak oluşturulur. Ancak, bir mantıksal kubit oluşturmak için birden çok kubit kullanılması gerektiğinden, hesaplamalar için kullanılabilecek genel kubit sayısı azalır. Donanımın daha fazla fiziksel kubit destekleme özelliği arttıkça hataya dayanıklılık özellikleri de artar.

Mantıksal kubitlerin kullanılmasına ek olarak, kuantum hesaplamalarındaki hatalar birden çok ölçüm, gereken işlem sayısını azaltan algoritmalar tasarlama veya gürültü etkisini azaltmak için kuantum kapılarındaki parametreleri ayarlama gibi teknikler kullanılarak azaltılabilir.

Hata düzeltme ve hataya dayanıklılık

Kuantum durumlarının hassas doğası nedeniyle kubitler klasik bitlere göre daha fazla hataya açık olduğundan ve dağıtılmış hibrit kuantum bilişiminin tam avantajlarından yararlanmak için yüksek oranda hataya dayanıklı sistemler gerektiğinden, hata düzeltme ve hataya dayanıklılık kuantum bilişiminin kritik yönleridir. Klasik bilgi işlemde, hesaplamaya yedeklilik eklenerek ve hata düzeltme kodları kullanılarak hatalar düzeltilebilir. Ancak geleneksel hata düzeltme teknikleri, hesaplamayı birden çok kez tekrarlayabildiği için kuantum bilişimi için doğrudan geçerli değildir ve kopyalamasız teorem nedeniyle kuantum bilişiminde mümkün değildir.

Floquet kodları , statik hatalara karşı koruma sağlayan geleneksel düzeltme kodları yerine kirlilik ve hatalara dinamik olarak yanıt veren yeni bir hata düzeltme kodları sınıfıdır. Daha fazla bilgi için bkz. Floquet kodlarıyla hata düzeltme.

Karma algoritmalar

• Variational Quantum Eigensolver (VQE) - kuantum kimyası, kuantum simülasyonları ve iyileştirme sorunları için bir kuantum algoritmasıdır ve belirli bir fiziksel sistemin temel durumunu bulmak için kullanılır. Klasik bilgisayar belirli parametrelerle kuantum devrelerini tanımlamak için kullanılır. Kuantum durumu ölçüldükten sonra, klasik bilgisayar parametrelerin nasıl geliştirilip devrelerin yeniden gönderilip iyileştirilemini değerlendirir. VQE'ler genellikle hibrit kuantum bilişiminin daha sıkı tümleştirilmesinden yararlanabilen uzun süre çalışan programlardır.
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) - aynı zamanda bir çeşitleme kuantum algoritmasıdır, birleştirici iyileştirme sorunlarına yaklaşık çözümler bulmak için kullanılır - olası çözümlerin sayısının sorunun boyutuyla birlikte son derece arttığı sorunlar. Hava trafiği denetimi, sevkiyat veya teslimat yolları ya da finansal iyileştirmeler gibi uygulamalar için uygulanabilirliğini belirlemek için etkin bir araştırma alanıdır.
• Yinelemeli aşama tahmini - bir üniter işlecin aşamasını tahmin eden ve diğer birçok kuantum algoritmasında kullanılan kuantum aşaması tahminini gerçekleştirmenin bir diğer yöntemidir. Her iki yöntem de fazı belirlemek için bir dizi dönüş kapısı kullanır, ancak yinelemeli faz tahmini, geçit ölçümleri hakkındaki bilgileri ve hesaplamaları depolamak için klasik yazmacı kullanır. Bu, gerekli kubit sayısını azaltır ve gürültü ve hataları en aza indirir.

Kuantum algoritmaları hakkında daha fazla bilgi için Kuantum Algoritması Hayvanat Bahçesi'ni ziyaret edin.