Современная электроника №9/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2022 Annealer (DA)». Метод Fujitsu DA, пред- назначенный для решения задач ква- дратичной неограниченной двоичной оптимизации (QUBO), основан на эму- ляции процесса квантового отжига с помощью уникальной микросхемы. Эта микросхема также была разработана фирмой Fujitsu специально для реше- ния задач комбинаторной оптимиза- ции с использованием параллельных вычислений возможных состояний на основе весовых матриц и векторов сме- щения. Данная технология позволяет решать сложные задачи с использова- нием 1024 переменных. В настоящее время Fujitsu разрабатывает модифи- кациюмикросхемы, которая позволит увеличить количество переменных до 8192 [44]. В этой связи можно также отметить японский электронный концерн NEC, который успешно реализует на прак- тике свои новые симуляторы отжига на основе векторных компьютеров, пред- назначенные для решения крупномас- штабных задач комбинаторной опти- мизации. Вариационные квантовые вычислители собственных значений В современной квантовой химии и физике твёрдого тела существует обширный класс задач, связанных с моделированием атомов, молекул и их кластеров. Решение этих задач является крайне актуальным для областей, свя- занных с разработкой новых материа- лов и лекарственных препаратов. Суть проблемы заключается в поиске точ- ных решений уравненийШрёдингера для сложных атомов и молекул. В начале 2000-х годов для моделиро- вания простейших атомов и молекул стали использовать квантовые компью- теры и алгоритмы квантовой фазовой оценки (quantum phase estimation – QPE). Алгоритм квантовой оценки фазы QPE эффективно решает задачу нахождения собственных значений (eigenvalue) конкретного собственно- го вектора (eigenvector) путём тщатель- ной, многоэтапной переборки различ- ных вариантов в процессе эволюции квантовой системы [45]. В начале 2000-х годов для подобных задач стали использовать универсаль- ные цифровые вентильные квантовые компьютеры (UDGQC) и квантовые вычислители с отжигом [46, 47]. Однако после первых удачных работ выяснилось, что UDGQC и QPU с кван- товым отжигом не справляются с реше- нием более сложных задач из-за крайне сложных квантовых алгоритмов моде- лей атомов и молекул. Поэтому остро встал вопрос оптимизации сложных расчётов, проводимых с помощью квантовых вычислений. Процесс квантовых вычислений, реа- лизуемый как с помощьюUDGQC, так и при использовании QPU с квантовым отжигом, состоит из двух основных эта- пов. На первом этапе задача, которую нужно решить, адаптируется под суще- ствующие квантовые алгоритмы. При этом используются стандартные ком- пьютеры с бинарной логикой (SBLC). На втором этапе реализуется непосред- ственно процесс вычислений с помо- щью квантового компьютера. В процессе поисков решения пробле- мы оптимизации квантовых вычисле- ний возникла идея о том, чтобы разде- лить сложную задачу на более простые составляющие и распределить этапы их выполнения между классическим и квантовым компьютером. В результате на свет появились два класса устройств, получившие название «вариационные квантовые вычислители собственных значений». Вариационный квантовый вычис- лительсобственныхзначений(«Varia- tional Quantum Eigensolver – VQE») был разработан специально для получения вероятностных оце- нок основных состояний (eigensolvers) сложных квантовых систем с исполь- зованием вариационного метода (variational) на базе универсальных цифровых вентильных квантовых компьютеров (UDGQC) и стандарт- ных цифровых компьютеров с двоич- ной логикой (SBLC) [48]. Другой тип вариационных вычис- лителей собственных значений, объ- единивший классический цифровой бинарный компьютер и вычислитель с квантовым отжигом, получил название «Quantum Annealer Eigensolver – QAE». Этот тип вычислителей рассмотрен во второй части данного раздела статьи. Обобщённая структурная схема вари- ационного квантового вычислителя собственных значений показана на рис. 13 [49]. В случае цифрового вентильного квантового компьютера UDGQC неко- торое начальное квантовое состояние системы закодировано каким-либо образом в n кубитах. Цель квантовых вычислений заключается в том, чтобы получить решение уравненияШрёдин- гера для волновой функции времени. Основной и наиболее трудной зада- чей в этих вычислениях является поиск алгоритма, описывающего последова- тельность использования квантовых операторов (gate). В результате дей- ствия этих операторов нужно сформи- ровать аппроксимирующуюфункцию с некоторой заданной погрешностью. Вариационные квантовые решатели основных состояний (VQE) фактически представляют собой симбиоз классиче- ского и квантового компьютеров. При этом роли между ними распределяют- ся следующим образом. Классический компьютер SBLC производит градиент- ный поиск в пространстве всех возмож- ных аргументов функций, чей минимум требуется найти. Квантовый компью- тер (UDGQC) определяет мгновенные значения гамильтониана системы и находит с некоторой вероятностью его основное (наименьшее) значение. Одним из основных моментов в тео- рии VQE является хорошо известный «вариационный метод». Не вдаваясь в математические подробности, в первом приближении суть этого метода можно представить как упрощение сложной задачи на начальном этапе решения с Рис. 13. Обобщённая структурная схема вариационного квантового вычислителя собственных значений «Variational Quantum Eigensolver – VQE» [49] Квантовая часть Классическая часть Выход Оценка Обновление Квантовая сеть Подготовка