Представляем уровень приложений Strawberry Fields
Хуан Мигель Арразола и Томас Р. Бромли
В 2010 году квантовые компьютеры ранних этапов были размещены в подвалах университета. Единственными людьми, которые могли их запрограммировать, были студенты и постдоки, которые их создали. Между тем алгоритмы, обещающие экспоненциальное ускорение, требовали тысячи безошибочных кубитов. Разрыв между теорией и экспериментом казался огромным. Это обрадовало квантовых ученых: у нас была работа!
Десять лет могут пройти очень быстро. Но за десятилетие может произойти многое. В 2020 году мы можем оглянуться назад и признать выдающийся экспериментальный прогресс, достигнутый на нескольких платформах. Точно так же были обнаружены новые алгоритмы, адаптированные для работы на доступном оборудовании. Разрыв меньше, чем когда-либо.
Квантовое программное обеспечение было ключевым элементом прогресса квантовых вычислений. Он предоставляет пользователям набор инструментов для разработки и выполнения квантовых алгоритмов без необходимости в экспертных знаниях. Новые идеи распространяются, когда мы повышаем способность людей взаимодействовать с передовыми технологиями. Это порождает цикл положительной обратной связи: квантовое программное обеспечение приводит к новым идеям, которые приводят к лучшему программному обеспечению.
В рамках этих усилий мы рады объявить о новом дополнении, ориентированном на алгоритмы для устройств, работающих в ближайшем будущем: уровень приложений (приложений) Strawberry Fields 🎉. Его основная цель - предоставить пользователям возможность реализовывать и тестировать фотонные квантовые алгоритмы, используя всего несколько строк кода. Он включает переработанную документацию Strawberry Fields с новыми разделами Введение и Учебные пособия. Технические подробности можно найти в сопроводительном документе Применение фотонных квантовых компьютеров в ближайшем будущем: программное обеспечение и алгоритмы.
Квантовые алгоритмы для краткосрочных устройств имеют небольшую глубину (несколько ворот) и обычно ограничиваются конкретными операциями. Уровень приложений фокусируется на выборке гауссовых бозонов (GBS), квантовом устройстве Xanadu в ближайшем будущем. Это фотонный алгоритм, использующий фиксированную последовательность экспериментально доступных ворот и измерений. В своей простейшей форме устройство GBS работает с применением сжимающих вентилей, оптических интерферометров (разделенных на светоделители и фазовращатели) и счета фотонов, как показано на рисунке ниже. Верхнее изображение - это принципиальная схема. Нижнее изображение представляет собой схематическое изображение физической реализации:
Слой приложений организован в модули, наиболее посвященные конкретному алгоритму GBS: плотные подграфы, максимальная клика, подобие графов, точечные процессы и вибронные спектры. Также доступны вспомогательные модули, обеспечивающие поддержку выборки, визуализации и доступ к заранее сгенерированным данным. Пользователи, заинтересованные в конкретном приложении, могут работать почти исключительно в рамках указанного модуля.
Отправной точкой каждого алгоритма является сбор образцов измерений из GBS. Выборку можно представить в виде вектора, который указывает, в каких выходных каналах были обнаружены фотоны. Функции, реализующие эти алгоритмы, не «заботятся» о том, откуда взяты образцы: они могут быть получены от симуляторов или оборудования. После того, как вы создали образцы, вы можете просто загрузить их и запустить алгоритмы как обычно.
Известные приложения GBS можно условно разделить на три основные категории: графы и сети, машинное обучение и квантовая химия. Давайте кратко рассмотрим каждый из них. Графики могут быть закодированы в устройство GBS в терминах матрицы смежности графа. Количество оптических каналов тогда равно количеству узлов в графе. Выходы GBS могут быть связаны с подграфами: мы сохраняем узлы для подграфа, если фотоны обнаруживаются в соответствующем режиме. Как показано в одной из наших статей, выбранные подграфы с большой вероятностью сильно связаны (плотны). Это полезно, если наша цель - выявить такие сильно связанные подграфы! Плотные подграфы также могут быть использованы в качестве заделки для алгоритмов, направленных на поиск больших клик в графах. Клики - это подграфы, в которых присутствуют все возможные связи. Плотные подграфы и максимальная клика являются важными проблемами при интеллектуальном анализе данных и оптимизации, особенно там, где целью является выявление кластеров информации.
Учебники для плотных подграфов и максимальной клики можно найти в документации Strawberry Fields.
Кодирование графиков в устройства GBS также позволяет нам сравнивать, насколько они похожи, что может быть полезно для задач машинного обучения, таких как классификация графиков. Это важно во многих областях, например, при классификации молекул, представленных в виде графиков. Стратегия состоит в том, чтобы получить грубые выходные данные устройства и использовать их для построения векторов признаков, которые инкапсулируют важные свойства графиков. Подобные графы имеют близкие друг к другу векторы признаков. Также возможно кодирование наборов точек в устройства GBS через их матрицу ядра. Образцы здесь соответствуют подмножествам точек, а распределение по шаблонам точек известно как точечный процесс. GBS обладает свойством кластеризации точек выборки с высокой вероятностью.
Вы можете взглянуть на наши руководства, чтобы узнать, как вычислять векторы признаков и реализовывать точечные процессы с использованием слоя приложений Strawberry Fields.
Наконец, одним из самых ранних известных приложений GBS является вибронная спектроскопия: вычисление линий поглощения молекул из-за одновременных колебательных и электронных переходов молекулы при взаимодействии со светом. Спектры поглощения молекул важны, например, для определения их использования в фотовольтаике или в качестве красителей в промышленных процессах. Вибронные переходы можно описать с помощью энергетических поверхностей начального и конечного электронных состояний. Преобразования между этими энергетическими поверхностями достигаются за счет смещения, вращения и сжатия. Это означает, что вибронные переходы могут быть непосредственно закодированы в устройство GBS, соответствующим образом адаптированное для включения преобразований смещения. Зная также частоты колебательных мод, можно использовать образцы GBS для восстановления вибронного спектра молекулы.
На уровне приложений есть специальный учебник по вибронным спектрам, но зачем ждать: давайте посмотрим сейчас! Чтобы смоделировать молекулярные вибронные переходы с помощью GBS, нам потребуется несколько релевантных молекулярных параметров:
- Ω: диагональная матрица, элементы которой являются квадратными корнями из частот нормальных мод электронного начального состояния.
- Ω ′: диагональная матрица, элементы которой являются квадратными корнями из частот нормальных мод электронного конечного состояния.
- U_D: матрица Душинского, фиксирующая вращение и сжатие энергетических поверхностей.
- δ: вектор смещения энергетических поверхностей
- T: температура
Слой приложений содержит данные, описывающие эти молекулярные параметры для муравьиной кислоты. Импортируем соответствующие модули из Strawberry Fields и загружаем данные:
Теперь мы можем сопоставить эту химическую информацию с параметрами сжатия, смещения и вращения ОГТ:
Наконец, мы настраиваем устройство GBS в соответствии с этими параметрами, генерируем образцы с помощью симулятора и строим результирующий спектр:
Уровень приложений Strawberry Fields упрощает освоение фотонных квантовых компьютеров. Мы видели, как проблемы в графах и сетях, машинном обучении и квантовой химии могут быть решены с использованием небольших знаний о квантовых вычислениях - пользователям просто нужно кодировать свою проблему, генерировать образцы и передавать образцы через предоставленные алгоритмы. Мы надеемся, что вам понравится эта новая функция и вы сможете решить несколько интересных задач! Но не бойтесь проявлять творческий подход и использовать инструменты Strawberry Fields для разработки новых подходов. Наша философия - побудить как можно больше людей задуматься о квантовых фотонных алгоритмах. Вы также можете присоединиться к обсуждениям в нашем рабочем пространстве Slack и форуме.
