2019-08-02 05:42:01
你的超级计算机难过吗 可能存在量子解决方案

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一些数学问题非常复杂,甚至可能使世界上最强大的超级计算机陷入困境。但是,应用量子领域规则的计算中一个疯狂的新前沿提供了一种不同的方法。

由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的物理学家领导的一项新研究发表在“科学报告”杂志上,详细介绍了一种称为“量子退火”的量子计算技术如何用于解决与核物理中基本问题相关的问题。所有物质的亚原子构建块。它也可以帮助回答科学和工业中其他棘手的问题。

寻求量子解决方案来解决真正的大问题

“对于我们试图解决的问题,没有量子退火算法,”Chia Cheng“Jason”Chang说,他是伯克利实验室核科学部的RIKEN iTHEMS研究员,也是日本科学研究所RIKEN的研究科学家。

“我们正在考虑的问题非常非常重要,”负责该研究背后的国际团队的张说。 “这里的想法是量子退火炉可以同时评估大量变量并最终返回正确的解决方案。”

Chang为最新研究设计并通过开源代码向公众提供的相同问题解决算法可以进行调整和扩展,以用于系统工程和运营研究,或用于其他行业应用。

用量子计算机的经典代数

“我们正在制作小'玩具'的例子,只是为了开发算法的工作方式。当前量子退火器的简单性在于解决方案是经典的 - 类似于用量子计算机进行代数。你可以检查和理解你在做什么量子退火器以简单的方式,没有经典验证解决方案的巨大开销。“

Chang的团队使用位于加拿大Burnaby的商用量子退火炉,称为D-Wave 2000Q,其特点是具有超低温度的超导电子元件,可以进行计算。

通过橡树岭国家实验室(ORNL)的橡树岭领导计算设施提供对D-Wave退火炉的访问。 “这些方法将帮助我们测试量子计算机解决应用数学问题的前景,这对于美国能源部的科学计算任务非常重要,”ORNL量子计算研究所所长Travis Humble说。

量子数据:同时为一,零或两者

目前有两台正在运行的机器可供公众使用。他们通过在物理学中应用一个共同规则来工作:物理系统倾向于寻找他们的最低能量状态。例如,在一系列陡峭的山丘和深谷中,穿越这个地形的人往往会最终落在最深的山谷中,因为它需要大量的能量才能从中爬出来并且能够以最少的能量来定居谷。

退火炉将此规则应用于计算。在典型的计算机中,存储器存储在由一个或零占据的一系列位中。但量子计算在计算中引入了一种新的范式:量子比特或量子比特。对于量子位,信息可以同时存在为一,零或两者。这种特性使量子计算机更适合解决一些必须考虑用于解决方案的大量可能变量的问题。

最新研究中使用的每个量子比特最终通过应用最低能量状态规则产生一个或零的结果,研究人员使用多达30个逻辑量子比特测试该算法。

Chang开发的在量子退火炉上运行的算法可以求解多项式方程,这些方程可以同时包含数字和变量,并设置为加零。变量可以表示大范围数字中的任何数字。

当“计算量较少但非常密集”时

伯克利实验室和邻近的加州大学伯克利分校已经成为量子信息科学新兴领域研发的温床,去年宣布成立了一个名为伯克利量子的合作伙伴关系,以推动这一领域的发展。

张说,这项研究中使用的量子退火方法,也称为绝热量子计算,“适用于较少但非常密集的计算”,并且该技术对他很有吸引力,因为量子力学的规则对于他来说是物理学家所熟悉的。 。

退火炉输出的数据是一系列解决方案,用于分类为列和行的方程式。然后,Chang解释说,这些数据被映射成退火炉量子位的表示,并且算法的大部分被设计成适当地考虑退火炉量子位之间相互作用的强度。他说:“我们重复了这个过程数千次”,以帮助验证结果。

“使用这种方法经典地解决系统将花费指数长的时间来完成,但是使用退火炉验证解决方案非常快”,他说,因为它解决了单一解决方案的经典问题。如果问题本质上是量子的,那么每次测量时解决方案都会有所不同。

量子算法的真实应用

由于量子计算机配备了更多的量子比特,可以更快地解决更复杂的问题,它们还可以通过减少使用可能需要更长时间才能解决相同问题的大型超级计算机来节省能源。

量子方法为涉及“非线性”系统的问题带来了直接和可验证的解决方案 - 其中方程的结果与输入值不成比例。非线性方程是有问题的,因为它们可能看起来比其他更直接和可解决的“线性”问题更难以预测或混乱。

Chang在美国和日本寻求量子计算量子计算专家的帮助,以开发成功测试的算法。他说,他希望算法最终证明对计算有用,可以测试亚原子夸克如何表现并与原子核中的其他亚原子粒子相互作用。

虽然应用该算法解决核物理问题将是一个令人兴奋的下一步工作,但“这种算法比核科学更普遍,”Chang指出。 “找到使用这些新电脑的新方法将会令人兴奋。”

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