Новаторский алгоритм для точного расчета кубитов

Ученые разработали алгоритм ACE для изучения взаимодействия кубитов и изменений их квантового состояния, упрощая вычисления квантовой динамики и прокладывая путь к достижениям в области квантовых вычислений и телефонии.

Практические квантовые вычисления стали еще на один шаг ближе.

Исследователи представили новый алгоритм под названием «Автоматическое сжатие произвольных сред» (ACE), предназначенный для изучения взаимодействия кубитов с окружающей их средой и последующих изменений их квантового состояния. Упрощая вычисления квантовой динамики, этот алгоритм, основанный на фейнмановской интерпретации квантовой механики, предлагает новые способы понимания и использования квантовых систем. Потенциальные приложения включают достижения в области квантовой телефонии и вычислений, обеспечивающие более точные прогнозы квантовой когерентности и запутанности.

Обычные компьютеры используют кубиты, представленные нулями и единицами, для передачи информации, в то время как квантовые компьютеры вместо этого используют квантовые биты (кубиты). Подобно битам, кубиты имеют два основных состояния или значения: 0 и 1. Однако, в отличие от бита, кубит может находиться в обоих состояниях одновременно.

Хотя это может показаться странной иронией, это можно объяснить простой аналогией с монетой. Классический бит можно представить как вытянутую монету с орлом или решкой (единицей или нулем), обращенную вверх, в то время как кубит можно представить как вращающуюся монету, которая также имеет орел и решку, но независимо от того, является ли она орлом или решкой, можно определяться, как только он перестанет вращаться, т. е. потеряет исходное состояние.

Когда вращающаяся монета останавливается, это может служить аналогом квантовой аналогии, в которой определяется одно из двух состояний кубита. в Количественная статистика, разные кубиты должны быть связаны друг с другом, например, состояния 0(1) одного кубита должны быть однозначно связаны с состояниями 0(1) другого кубита. Когда квантовые состояния двух или более объектов становятся взаимосвязанными, это называется квантовой запутанностью.

Проблема квантовой запутанности

Основная трудность квантовых вычислений заключается в том, что кубиты окружены средой и взаимодействуют с ней. Это взаимодействие может привести к ухудшению квантовой запутанности кубитов, заставляя их отделяться друг от друга.

Сходство двух валют может помочь понять эту концепцию. Если две одинаковые монеты вращаются одновременно, а затем вскоре после этого выключаются, они могут оказаться одной и той же стороной вверх, будь то орел или решка. Эту синхронизацию между монетами можно сравнить с квантовой запутанностью. Однако, если монеты продолжают вращаться в течение более длительного периода времени, они в конечном итоге потеряют синхронизацию и больше не окажутся одной и той же стороной — решкой или орлом — вверх.

Потеря синхронизации происходит из-за того, что вращающиеся монеты постепенно теряют энергию, в основном из-за трения о стол, и каждая монета делает это уникальным образом. В квантовой сфере трение или потеря энергии из-за взаимодействия с окружающей средой в конечном итоге приводит к квантовой декогеренции, что означает потерю синхронизации между кубитами. Это приводит к расфазировке кубитов, при которой фаза квантового состояния (представленная углом поворота монеты) изменяется случайным образом с течением времени, вызывая потерю квантовой информации и делая квантовые вычисления невозможными.

Эффективное представительство определяется полностью автоматически и не основано на каких-либо приближениях или предвзятых предположениях. Кредит: Алексей Вагов

Квантовая когерентность и динамика

Основная проблема, с которой сегодня сталкиваются многие исследователи, — сохранение квантовой когерентности в течение более длительного времени. Этого можно достичь, точно описывая эволюцию квантового состояния во времени, также известную как квантовая динамика.

Ученые из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Германии и Великобритании предложили в качестве решения для изучения взаимодействия кубитов с окружающей средой и возникающих при этом изменений алгоритм под названием «Автоматизированное сжатие произвольных сред» (ACE). в их квантовом состоянии с течением времени.

Взгляд на квантовую динамику

«Почти бесконечное число мод колебаний или степеней свободы в окружающей среде делает вычисление квантовой динамики особенно трудным. Действительно, эта задача включает в себя расчет динамики одной квантовой системы, когда она окружена триллионами других. Прямой расчет в этом случае невозможен. случае, так как ни один компьютер не может справиться с этим.

Однако не все изменения в окружающей среде имеют одинаковое значение: те, которые происходят на достаточном расстоянии от нашей квантовой системы, не могут существенно повлиять на ее динамику. В основе нашего метода лежит разделение на «релевантные» и «нерелевантные» экологические степени свободы», — говорит Алексей Вагоф, соавтор статьи, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ.

Интерпретация Фейнмана и алгоритм ACE

Согласно интерпретации квантовой механики, предложенной известным американским физиком Ричардом Фейнманом, вычисление квантового состояния системы предполагает вычисление суммы всех возможных способов достижения состояния. Это объяснение предполагает, что квантовая частица (система) может двигаться во всех возможных направлениях, в том числе вперед или назад, вправо или влево и даже назад во времени. Квантовые вероятности всех этих траекторий должны быть сложены для вычисления конечного состояния частицы.

Проблема в том, что существует множество возможных траекторий даже для одной частицы, не говоря уже обо всей окружающей среде. Наш алгоритм позволяет учитывать только те пути, которые вносят значительный вклад в динамику кубита, исключая те, которыми можно пренебречь. В нашем методе эволюция кубита и его окружения фиксируется тензорами, которые представляют собой матрицы или таблицы чисел, описывающие состояние всей системы в разные моменты времени. Затем мы выбираем только те части тензоров, которые имеют отношение к динамике системы», — объясняет Алексей Вагофф.

Заключение: последствия алгоритма ACE

Исследователи утверждают, что алгоритм автоматического сжатия для произвольных сред общедоступен и реализован в виде компьютерного кода. По мнению авторов, это открывает совершенно новые возможности для точного расчета динамики множественных квантовых систем. В частности, этот метод позволяет оценить время до запутывания Фотон Пары в квантовых телефонных линиях станут распутанными, и это будет означать, насколько далеко может телепортироваться квантовая частица или сколько времени потребуется, чтобы кубиты квантового компьютера потеряли когерентность.

Ссылка: «Моделирование открытых квантовых систем с помощью автоматизированного сжатия случайных сред» Морица Сигорека, Майкла Козакки, Алексея Фагова, Фоллрат-Мартина Акста, Брендона В. Ловетта, Джонатана Килинга и Эрика М. Гугера, 24 марта 2022 г., доступно здесь. физика природы.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9