Researchers have discovered a new and more efficient computing method for pairing the reliability of a classical computer with the strength of a quantum system.
This new computing method opens the door to different algorithms and experiments that bring quantum researchers closer to near-term applications and discoveries of the technology.
“In the future, quantum computers could be used in a wide variety of applications including helping to remove carbon dioxide from the atmosphere, developing artificial limbs and designing more efficient pharmaceuticals,” said Christine Muschik, a principal investigator at the Institute for Quantum Computing (IQC) and a faculty member in physics and astronomy at the University of Waterloo.
The research team from IQC in partnership with the University of Innsbruck is the first to propose the measurement-based approach in a feedback loop with a regular computer, inventing a new way to tackle hard computing problems. Their method is resource-efficient and therefore can use small quantum states because they are custom-tailored to specific types of problems.
Hybrid computing, where a regular computer’s processor and a quantum co-processor are paired into a feedback loop, gives researchers a more robust and flexible approach than trying to use a quantum computer alone.
While researchers are currently building hybrid, computers based on quantum gates, Muschik’s research team was interested in the quantum computations that could be done without gates. They designed an algorithm in which a hybrid quantum-classical computation is carried out by performing a sequence of measurements on an entangled quantum state.
The team’s theoretical research is good news for quantum software developers and experimentalists because it provides a new way of thinking about optimization algorithms. The algorithm offers high error tolerance, often an issue in quantum systems, and works for a wide range of quantum systems, including photonic quantum co-processors.
Hybrid computing is a novel frontier in near-term quantum applications. By removing the reliance on quantum gates, Muschik and her team have removed the struggle with finicky and delicate resources and instead, by using entangled quantum states, they believe they will be able to design feedback loops that can be tailored to the datasets that the computers are researching in a more efficient manner.
“Quantum computers have the potential to solve problems that supercomputers can’t, but they are still experimental and fragile,” said Muschik.
The study, A measurement-based variational quantum eigensolver, which details the researchers’ work was published in Physical Review Letters on June 1, 2021.
This project is funded by CIFAR.
La combinaison de l’informatique classique et de l’informatique quantique ouvre la voie à de nouvelles découvertes
Des chercheurs ont découvert une méthode nouvelle et plus efficace qui permet de combiner la fiabilité d’un ordinateur classique et la puissance d’un système quantique.
Cette nouvelle méthode de calcul ouvre la voie à divers algorithmes et expériences qui rapprochent les chercheurs en physique quantique d’applications à court terme et de découvertes technologiques.
« Dans l’avenir, on pourrait utiliser des ordinateurs quantiques dans une grande variété d’applications allant de l’élimination du dioxyde de carbone dans l’atmosphère à la mise au point de membres artificiels, en passant par la conception de médicaments plus efficaces », a déclaré Christine Muschik, chercheuse principale à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi que professeure au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo.
L’équipe de recherche de l’IQC, en partenariat avec l’Université d’Innsbruck, est la première à proposer une méthode fondée sur des mesures dans une boucle de rétroaction avec un ordinateur classique, inventant du même coup une nouvelle manière de s’attaquer à des problèmes de calcul difficiles. Cette méthode est économe en ressources et peut donc faire appel à de petits états quantiques adaptés à des types précis de problèmes.
L’informatique hybride, où un processeur classique et un processeur quantique sont jumelés dans une boucle de rétroaction, offre aux chercheurs une méthode de résolution plus solide et plus souple que s’ils tentaient d’utiliser seulement un ordinateur quantique.
Alors que des chercheurs construisent actuellement des ordinateurs hybrides fondés sur des portes quantiques, l’équipe de Mme Muschik s’est intéressée aux calculs quantiques qui pourraient être effectués sans recourir à des portes. Elle a conçu un algorithme dans lequel un calcul hybride quantique-classique s’effectue en faisant une série de mesures sur un état quantique intriqué.
Les recherches théoriques de l’équipe constituent de bonnes nouvelles pour les réalisateurs et expérimentateurs en matière de logiciels quantiques, car elles fournissent une nouvelle manière d’envisager les algorithmes d’optimisation. L’algorithme conçu par l’équipe a une grande insensibilité aux défaillances, qui posent souvent des problèmes dans les systèmes quantiques, et fonctionne pour une grande variété de systèmes quantiques, y compris les coprocesseurs quantiques photoniques.
L’informatique hybride ouvre de nouvelles possibilités d’applications quantiques à court terme. En s’affranchissant des portes quantiques, Christine Muschik et son équipe ont évité d’avoir à composer avec des ressources sophistiquées et délicates. En utilisant plutôt des états quantiques intriqués, elles croient pouvoir créer d’une manière plus efficace des boucles de rétroaction adaptables aux données traitées par les ordinateurs.
« Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes hors de portée pour les superordinateurs actuels, mais ils sont encore fragiles et à l’état expérimental » [traduction], dit Mme Muschik.
Les travaux de ces chercheurs sont décrits dans l’article A measurement-based variational quantum eigensolver (Résolution de valeurs propres à l’aide d’un outil quantique variationnel fondé sur des mesures), publié le 1er juin 2021 dans Physical Review Letters.
Ce projet est financé par l’ICRA.