В течение последних шести лет Лос-Аламосская национальная лаборатория занимает лидирующие позиции в мире, пытаясь разобраться в одном из самых неприятных барьеров, с которыми сталкиваются вариационные квантовые вычисления: плоскогорье застоя.
«Представьте себе ландшафт из пиков и долин», — сказал Марко Серезо, ведущий учёный команды из Лос-Аламоса. «При оптимизации вариационного или параметризованного квантового алгоритма нужно настроить ряд регуляторов, которые контролируют качество решения и перемещают вас по ландшафту. Здесь пик представляет собой плохое решение, а долина — хорошее. Но когда исследователи разрабатывают алгоритмы, они иногда обнаруживают, что их модель зашла в тупик и не может ни подняться, ни спуститься. Она застряла в пространстве, которое мы называем плоскогорьем застоя».
Для этих методов квантовых вычислений плоскогорья могут быть математическими тупиками, препятствующими их реализации в крупномасштабных реалистичных задачах. Учёные потратили много времени и ресурсов на разработку квантовых алгоритмов только для того, чтобы обнаружить, что иногда они необъяснимо останавливаются. Понимание того, когда и почему возникают плоскогорья застоя, заняло у сообщества годы.
Новая обзорная статья
Новая обзорная статья, опубликованная в Nature Reviews Physics под руководством команды учёных из Лос-Аламоса, представляет наиболее полный на сегодняшний день обзор того, почему возникают плоскогорья застоя, как их предсказать и возможные пути решения.
«Плоскогорья застоя — не единственная проблема, с которой сталкиваются вариационные квантовые вычисления, но на данный момент это основная проблема», — сказал Мартин Ларокка, автор исследования из группы физики конденсированных сред и сложных систем лаборатории. «С помощью этой статьи мы хотим передать сообществу то, что мы узнали о плоскогорьях застоя, и показать, что мы понимаем это явление».
В новой обзорной статье команда из Лос-Аламоса и сообщество учёных со всего мира, как из частных, так и из государственных учреждений, представляют обзор тонкостей плоскогорий застоя после шести лет интенсивных исследований.
Развитие квантовых устройств
Квантовая память с произвольным доступом (QRAM)
Недавние технологические достижения открыли новые захватывающие возможности для разработки передовых квантовых устройств, включая системы квантовой памяти с произвольным доступом (QRAM). Это архитектуры памяти, специально предназначенные для интеграции внутри квантовых компьютеров, которые могут одновременно извлекать данные из нескольких «местоположений», используя квантовый эффект, известный как когерентная суперпозиция.
Суперопозиция позволяет различным состояниям памяти существовать одновременно, мешая друг другу предсказуемым образом. Устройства QRAM могут помочь более эффективно хранить большие объёмы и различные типы данных, повышая скорость и эффективность, с которой квантовые компьютеры могут решать некоторые сложные задачи.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи из Чикагского университета представили новую архитектуру QRAM, основанную на транском-управляемом фононом-маршрутизаторе. Транскомы — это типы сверхпроводящих квантовых битов (кубитов), которые, как известно, устойчивы к некоторым видам шума. Эти биты использовались для управления поверхностными акустическими волнами — фононами, вибрациями или звуковыми частицами, которые распространяются по поверхности материалов, направляя их в нужные места.
Новый класс антиферромагнетиков
Исследовательская группа под руководством профессора Шао Динфу из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук предсказала новый класс антиферромагнитных материалов с уникальными межцепочечными структурами, названными «X-тип антиферромагнетиков». Эти материалы демонстрируют подрешёточный селективный спин-транспорт и нетрадиционную магнитную динамику, предлагая новые возможности для создания спинтронных устройств нового поколения.
Опубликовано в Newton, это исследование бросает вызов традиционным представлениям о коллективном атомном поведении в твёрдых телах и обещает трансформационные приложения в электронике нового поколения.
Оптические часы
В новом исследовании учёные провели наиболее масштабное скоординированное сравнение оптических часов, одновременно управляя часами и связями между ними в шести странах. Эксперимент, охватывающий тысячи километров, представляет собой значительный шаг к переопределению секунды и, в конечном итоге, к установлению глобальной оптической шкалы времени.
Точные сигналы времени и частоты, предоставляемые атомными часами, необходимы для многих повседневных технологий — таких как GPS, управление энергосистемами и синхронизация финансовых транзакций.
Оптические часы — это тип атомных часов, который использует лазеры для возбуждения атомов контролируемым образом, заставляя атомы переходить между определёнными энергетическими уровнями. Эти сдвиги происходят на очень точных частотах, которые служат «тиканьем» часов.
Разочаровывающие результаты в физике
Физик-теоретик Пенсильванского государственного университета Золтан Фодор и его международная исследовательская группа пять лет назад поделились разочаровывающими результатами своих обширных расчётов силы магнитного поля вокруг мюона — субатомной частицы, похожей на электрон, но более тяжёлой. Их результаты впервые закрыли разрыв между теорией и экспериментальными измерениями, приведя их в соответствие со Стандартной моделью.
Ранее в тот же день после почти 20 лет были опубликованы новые экспериментальные результаты, показывающие сильное расхождение между теорией и экспериментом. Это было интерпретировано большинством физиков как признак новой физики, и многие физики скептически отнеслись к результатам Фодора, надеясь, что результаты других групп подтвердятся.
Двадцать четыре года назад в эксперименте в Брукхейвенской национальной лаборатории физики обнаружили то, что казалось расхождением между измерениями магнитного момента мюона и теоретическими расчётами. Это открыло возможность существования нового вида частицы или силы.
На прошлой неделе исследовательская группа, названная коллаборацией Muon g-2, представила свои окончательные результаты в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab), которые согласуются с расчётами Фодора 2020 года и соответствуют Стандартной модели.
quantum algorithm, one needs to tune a series of knobs that control the solution quality and move you in the landscape. Here, a peak represents a bad solution and a valley represents a good solution. But when researchers develop algorithms, they sometimes find their model has stalled and can neither climb nor descend. It’s stuck in this space we call a barren plateau.\””,”For these quantum computing methods, barren plateaus can be mathematical dead ends, preventing their implementation in large-scale realistic problems. Scientists have spent a lot of time and resources developing quantum algorithms only to find that they sometimes inexplicably stall. Understanding when and why barren plateaus arise has been a problem that has taken the community years to solve.”,”A new review article, published in Nature Reviews Physics and led by a team of Los Alamos scientists, lays out the most comprehensive overview to date of why barren plateaus exist, how to predict them, and potential ways forward.”,”\”Barren plateaus are not the only issue facing variational quantum computing, but it is the main issue at the moment,\” said Martin Larocca, an author of the study with the Lab’s Physics of Condensed Matter and Complex Systems group. \”With this paper, we want to relay what we’ve learned about barren plateaus to the community and to show that we understand this phenomenon.\””,”In the new review article, the Los Alamos team and a community of scientists from across the world, in both private and public institutions, provide an overview of the ins and outs of barren plateaus after six years of intense research.”,”For the first time, this paper collects different notions for barren plateaus and defines the origins that cause each, such as the curse of dimensionality (a problem that occurs when scientists analyze data in high-dimensional spaces) or the presence of noise, among others.”,”The team then discusses various quantum algorithmic architectures that are prone to barren plateaus and those that can avoid them. This was possible, in part, because this same team of Laboratory scientists developed the first equation to infer if a quantum algorithm will encounter a barren plateau. This in turn has allowed Lab scientists to connect the absence of barren plateaus to the dequantization of the algorithms, i.e., to the fact that it might not perform better than its classical counterparts.”,”\”Our research has created a lot of inertia in this field,\” Larocca said. \”This is why we feel it’s important to condense six years of work into a paper. We want people, especially young scientists, to learn from the mistakes we’ve identified so they can help us find solutions to barren plateaus, but more generally to local minima and dequantization issues.\””,”Beyond identifying problems, the team also lays out potential paths forward. One lesson researchers highlighted is that borrowing algorithmic methods from classical computing is a process that seems to have run its course.”,”\”The story of barren plateaus reflects how we are thinking about optimization in quantum systems,\” Cerezo said. \”We can’t continue to copy and paste methods from classical computing into the quantum world.\””,”Instead, the team suggests scientists in the field move toward new variational methods of developing quantum algorithms. This will likely need to come along with advancements to quantum computing, namely new ways to coherently process information in quantum computers. Together, hopefully, this path will more quickly carry the field from theoretical to practical testing.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLos Alamos National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник