Eksperymenty z wykorzystaniem największych rzeczywistych komputerów kwantowych IBM Q

2024-04-14

Eksperymenty z wykorzystaniem największych rzeczywistych komputerów kwantowych IBM Q

Ustanowiony w Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym Polski Węzeł Obliczeń Kwantowych – IBM Quantum Innovation Center – swoją działalność w 2023 roku skupił na rozbudowie partnerstwa z wiodącymi ośrodkami i zespołami zajmującymi się rozwojem algorytmów kwantowych oraz potencjalnymi ich zastosowaniami.

W efekcie podjętych działań do sieci współpracy IBM Quantum Network dołączyły już instytucjonalnie Uniwersytet im. A. Mickiewicza w Poznaniu, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN oraz Narodowe Centrum Badań Jądrowych Centrum Informatyczne Świerk. Kilka nowych zespołów z polskich uczelni do końca roku 2023 planuje zakończyć pierwszą fazę eksperymentów w bliskiej współpracy z PCSS. Dodatkowo w ramach prac B+R realizowanych bezpośrednio przez zespoły PCSS wykonano szereg eksperymentów, w tym z wykorzystaniem największych rzeczywistych komputerów kwantowych IBM Q. Przetestowano różne podejścia i nowe metody kwantowe, w tym eksperymentalnie zbadano wpływ zastosowania różnych rodzajów algorytmów optymalizacji kwantowej – QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm), Quantum Optimization Optimization Ansatz oraz QAOA ze strategią Educated Guess. W efekcie wykazano możliwość zastosowania algorytmów kwantowych w rozwiązywaniu testowych problemów optymalizacji, np. problemów szeregowania zadań oraz wykorzystania algorytmów kwantowych w złożonych problemach zarządzania bezpieczeństwem ruchu statków powietrznych.

W ramach zdalnego wykorzystania fizycznych zasobów komputerów kwantowych IBM Q, dostępnych poprzez Polski Węzeł Obliczeń Kwantowych – IBM Quantum Innovation Center, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN opracowało efektywną metodę charakterystyki błędów pomiaru. Aktualnie błędy odczytu znacząco przyczyniają się do ogólnego szumu wpływającego na wydajność dostępnych komputerów kwantowych, a pełna charakterystyka ogólnego szumu odczytu jest niewykonalna dla urządzeń składających się z dużej liczby kubitów. Nowa metoda zaproponowana przez Centrum Fizyki Teoretycznej PAN jest efektywna, ponieważ skaluje się logarytmicznie wraz z liczbą kubitów, dzięki czemu można ją stosować do charakteryzowania błędów pomiaru urządzeń kwantowych składających się z wielu kubitów. Nowa metoda została z powodzeniem zaimplementowana i eksperymentalnie wykorzystana do charakteryzacji błędów pomiaru 127-kubitowych komputerów kwantowych IBM Q: Cusco, Sherbrooke, Brisbane oraz Nazca. Uzyskane wyniki pozwalają na zbudowanie modelu skorelowanych błędów pomiaru, a zrekonstruowane modele błędów pomiaru posłużyły do przeprowadzenia procedury mitygacji błędów.