Anasayfa/Teknoloji/Yazılım/Kuantum Bilgisayarlarda Özhal ve Termal Durumları Belirlemeye Yönelik Yeni Algoritmalar
Araştırmacılar; son zamanlarda mevcut faz kestirimi ve varyasyon yöntemlerinin sınırlamalarının üstesinden gelmeye yardımcı olabilecek üç yeni algoritma geliştirilmesine yol açtı: Kuantum Hayali Zaman Evrimi, Kuantum Lanczos ve Kuantum METTS Algoritmaları...
0 131 Okuma Süresi: 2 dakika
Araştırmacıların, hayali zamandaki evrimi; kuantum bir döngüye dönüştürülebileceği üniter dönüşümlerle nasıl temsil ettiğini ortaya koyan görüntü./Phys
Etkileşen birçok partikülün kuantum mekaniksel davranışını belirlemek; fizik, kimya ve matematik dahil olmak üzere çeşitli bilimsel alanlarda önemli problemleri çözmek için esastır. Örneğin, materyallerin ve moleküllerin elektronik yapısını tanımlamak için; araştırmacıların önce Born-Oppenheimer Hamiltoniyen Yaklaşımı’nın temelini, uyarılmış ve termal durumlarını bulmaları gerekir. Kuantum kimyasında, Born-Oppenheimer Yaklaşımı, moleküllerdeki elektronik ve nükleer hareketlerin ayrılabileceği varsayımıdır.
Diğer çeşitli bilimsel problemler de kuantum bilgisayarlarda Hamiltonyen, uyarılmış ve termal durumların doğru hesaplanmasını gerektirir. Önemli bir örnek, uygun sıkma sistemlerinin temel durumunu bulmak için azaltılabilen kombinatoryal optimizasyon problemleridir.
Şimdiye kadar, kuantum bilgisayarlarda Hamiltoniyen ‘özhal’lerini hesaplamak için kullanılan teknikler temel olarak; en düşük enerji özdeğeri (yani, temel durum) ve bir dizi uyarılmış durumu yaklaşık olarak belirlemek için tasarlanan faz tahminine veya varyasyon algoritmalarına dayanmaktadır. Maalesef, bu tekniklerin birçok bilimsel problemi çözmek için pratik olmayan dezavantajları olabilir.
California Teknoloji Enstitüsü’ndeki (Caltech) Garnet Chan, Fernando Brandao ve Austin Minnich’in araştırmacı ekibi; son zamanlarda mevcut faz kestirimi ve varyasyon yöntemlerinin sınırlamalarının üstesinden gelmeye yardımcı olabilecek üç yeni algoritma geliştirilmesine yol açtı: Kuantum Hayali Zaman Evrimi, Kuantum Lanczos ve Kuantum METTS Algoritmaları…
Caltech’teki araştırmacılar tarafından yürütülen son çalışmanın ana amacı; kuantum bilgisayarlarda zemini ve termal durumları belirlemek için yeni kuantum algoritmaları geliştirmekti. Araştırmacılar; hayali zaman evrimi, tam köşegenleştirme ve sonlu sıcaklık durumu örneklemesi gibi klasik bilgisayar fiziğinden kavramlar kullanarak, Hamilton durumlarını hesaplamak için mevcut tekniklerin pratik sınırlamalarını atlatmaya çalıştı.
Araştırmacı Motta: “Algoritmalarımız, soğutma sürecine benzer hayali zaman evrimi kavramına dayanıyor. Deneme dalgası işlevi için basit ama yanlış bir yaklaşımda kuantum mekanik bir sistem hazırlayabileceğimizi varsayalım. Bu soğutma işlemini sisteme uygulayarak, deneme dalgası işlevinden sahte uyarıları sistematik olarak kaldırabiliriz ve böylece yavaş yavaş yaklaşabiliriz temel durum. Bu Kuantum Hayali-Zaman Evrimi Algoritması’nın (QITE) içeriğidir. “
Caltech araştırmacıları tarafından geliştirilen üç algoritma, temel ve uyarılmış durumları bulmak için klasik tekniklere benzer. Bununla birlikte, hayali zaman evrimi ortaya çıktıkça bilgi toplayarak, bu algoritmalar, Lanczos yaklaşımının bir kuantum varyantını, özdeğerleri ve özvektörleri hesaplamak için iyi kurulmuş bir matematiksel tekniği kullanarak, belirli heyecanlı durumlara erişim sağlayan bir özdeğer problemini formüle edebilir ve çözebilir.
Araştırmacı Motta: “Elbette, hayali zaman evrimi, bir sistemi sonsuzdan sonluya (sıfırdan büyük) sıcaklığa soğutmak ve böylece QMETTS algoritmamızda yaptığımız gibi sonlu sıcaklık özelliklerini hesaplamak için de kullanılabilir.”
Araştırmacılar tarafından önerilen Kuantum Hayali Zaman Evrim Algoritması ve Lanczos Algoritması, mevcut ve klasik tekniklere göre birçok avantaja sahiptir. Örneğin, fiziksel sezgiye dayandıklarından, çağdaş kuantum donanımına uygulanabilirler ve diğer kuantum algoritmaları için vazgeçilmez olan derin devrelere, yardımcı kubitlere ve karmaşık parametre optimizasyonlarına ihtiyaç duymazlar.
Araştırmacı Motta: “Çalışmamızın en anlamlı başarısı, günümüz kuantum bilgisayarlarında birçok vücutlu sistemlerin çalışması için yeni bir algoritma paketi kavramıydı. Algoritmalarımız, Fizik alanına faydalı bilgiler getiriyor: özellikle, farklı bilim alanlarından gelen fikir ve tekniklerin kombinasyonunun, yenilikçi teknikler üretmek için sinerjik olarak nasıl birleştirilebileceğini gösteriyor.”
Motta ve meslektaşları, çalışmalarında, geliştirdikleri algoritmaların, bunları Rigetti Kuantum Sanal Makinesi ve Aspen-1 Kuantum İşleme Ünitesi üzerinde uygulayarak etkinliğini gösterdiler. Bu gösterilerde, algoritmalar Hamiltoniyen termal durumları hesaplamak için mevcut tekniklerle olumlu şekilde karşılaştırarak oldukça iyi performans gösterdi.
Bu araştırma ekibi tarafından geliştirilen yeni algoritmalar; kuantum simülasyonları ve optimizasyonunu içeren çeşitli çalışmalarda kullanılabilir. Ayrıca, bireylerin araştırma projelerinin ihtiyaçlarını karşılamak için rafine edilebilir ve genişletilebilirler.
Aspen-1 Kuantum İşleme Ünitesi Austin Minnich Born-Oppenheimer Hamiltoniyen Yaklaşımı Born-Oppenheimer Yaklaşımı Fernando Brandao Garnet Chan Hamiltoniyen kuantum bilgisayar Kuantum Hayali Zaman Evrimi Kuantum Hayali-Zaman Evrimi Algoritması Kuantum Lanczos Kuantum METTS Algoritmaları kuantum simülasyonları özhal QMETTS Rigetti Kuantum Sanal Makinesi