Cloudbasierte Quantensimulation

// Elektrische Schaltungen // Informations- und Kommunikationstechnik // Optik, Photonik und Lasertechnik // Research Tools // Sensorik und Messgeräte
Ref-Nr: 16563

Einleitung / Abstract

Das Anwendungsgebiet der Technologie ist die Simulation quantenphysikalischer Phänomenen. Diese Erfindung soll einen Beitrag dazu leisten, diese Simulation zu verbessern.

Abb. 1: Steuereinheit zur Optimierung eines cloudbasierten Quantensimulators

Hintergrund

Die Simulation von Quantensystemen ist mit gewöhnlichen Computern begrenzt, da die Komplexität exponentiell mit der Größe des zu simulierenden Systems zunimmt. Um den Rechenaufwand zu senken, wird der Ansatz, als Simulator selbst Quantenobjekte zu verwenden, weiterverfolgt.
Weiterhin ist die optimale Zerlegung der zu lösenden Aufgabe, die je nach Anwendungsfall eine andere ist, für den Anwender unbekannt – sie ist vom Quantensimulator abhängig.

Problemstellung

Bisherige Methoden erfordern hohe Speichermengen. Ferner kann der Betreiber eines Quantensimulators die optimale Zerlegung nicht herleiten, wenn er in Unkenntnis der Aufgabenstellung ist.

Lösung

Die vorgestellte innovative Lösung beinhaltet eine Steuereinheit für einen Quantensimulator, auf die ortsunabhängig (z. B. beim Anwender oder Betreiber) zugegriffen werden kann. Bei der Eingabe wird zunächst eine hierarchische Ordnung des Liouvillian vorgenommen und anschließend eine gebildete Matrix übertragen. Falls erforderlich, soll auch ein Tensor mit begrenzten Einträgen übertragen werden. Durch die Verwendung von Sparsen Datentypen können der Speicherbedarf und der Kommunikationsaufwand gesenkt werden. Somit wird der Ressourcenaufwand nur polynominal und nicht exponentiell ansteigen. Weiterhin kann die Steuereinheit die für eine Lösung erforderliche optimierte Anordnung der physikalischen Vorgänge vornehmen. Als Grundbaustein soll die Suzuki-Trotter-Zerlegung genutzt werden. Als Zielfunktion für die Optimierung wird ein Maß wie bspw. die Fidelity verwendet. Diese wird dann unter Berücksichtigung der im Quantensimulator realisierbaren Wechselwirkungen maximiert, wobei Verfahren der Quantum Optimal Control Theory angewendet werden sollen, um geeignete Suzuki-Trotter-Zerlegungen zu finden und zu optimieren.

Vorteile

Ortsunabhängiger Zugriff auf Steuereinheit Vereinfachung der Generierung von Quantensimulationsprozessen Verringerung des benötigten Speichers und der Rechenzeit

Anwendungsbereiche

Angewendet werden kann die neue Technologie beispielsweise bei der Simulation quantenphysikalischer Phänomene in der Materialentwicklung, Chemie oder Medizin.

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