Špičkový algoritmus pre presný výpočet qubitov

Praktické kvantové výpočty sú o krok bližšie.

Výskumníci predstavili nový algoritmus s názvom Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE), ktorý je určený na štúdium interakcií qubitov s ich okolitým prostredím a výsledných zmien v ich kvantovom stave. Zjednodušením výpočtu kvantovej dynamiky tento algoritmus, založený na Feynmanovej interpretácii kvantovej mechaniky, poskytuje nové možnosti na pochopenie a používanie kvantových systémov. Potenciálne aplikácie zahŕňajú pokroky v kvantovej telefónii a výpočtovej technike, ktoré poskytujú presnejšie predpovede o kvantovej koherencii a prepletení.

Bežné počítače používajú na prenos informácií bity reprezentované nulami a jednotkami, zatiaľ čo kvantové počítače namiesto toho používajú kvantové bity (qubity). Podobne ako bity, aj qubity majú dva hlavné stavy alebo hodnoty: 0 a 1. Na rozdiel od bitu však môže qubit existovať v oboch stavoch súčasne.

Hoci to môže znieť ako zarážajúci rozpor, dá sa to vysvetliť jednoduchou analógiou s mincou. Klasický bit môže byť reprezentovaný ako minca s hlavami alebo chvostmi (jedna alebo nula) smerom nahor, zatiaľ čo quit môže byť považovaný za prehodenú mincu, ktorá má tiež hlavy a chvosty, ale či už ide o hlavy alebo chvosty, môže byť hore. Dá sa určiť iba vtedy, keď sa prestane otáčať, to znamená, že stratí svoju pôvodnú polohu.

Keď sa rotujúca minca zastaví, môže slúžiť ako analógia pre kvantové meranie, pričom sa vyberie jeden z dvoch stavov qubitu. In kvantové výpočty, jednotlivé qubity musia byť spojené, napríklad pozícia 0(1) jedného qubitu musí jednoznačne korelovať s pozíciou 0(1) iného qubitu. Keď sa kvantové stavy dvoch alebo viacerých objektov stanú korelovanými, nazýva sa to kvantové zapletenie.

výzva kvantového zapletenia

Hlavným problémom kvantových výpočtov je, že qubity sú obklopené prostredím a interagujú s ním. Táto interakcia môže narušiť kvantové zapletenie qubitov, čo vedie k tomu, že sú od seba oddelené.

Analógia s dvoma mincami môže pomôcť pochopiť tento koncept. Ak sú dve rovnaké mince hádzané a po krátkom čase zastavené, obe môžu skončiť rovnakou stranou hore, buď hlavami alebo chvostmi. Túto synchronizáciu medzi rotujúcimi mincami možno prirovnať ku kvantovému prepleteniu. Ak sa však mince budú točiť dostatočne dlho, nakoniec stratia synchronicitu a už nebudú na rovnakej strane – hore alebo dole.

K strate synchronicity dochádza preto, že rotujúce mince postupne strácajú energiu, najmä v dôsledku trenia o stôl, a každá minca tak robí jedinečným spôsobom. V kvantovom svete trenie alebo strata energie v dôsledku interakcií s prostredím nakoniec vedie ku kvantovej dekoherencii, čo znamená stratu synchronizácie medzi qubitmi. To má za následok qubit dephasing, kedy sa fáza kvantového stavu (reprezentovaná uhlom rotácie mince) v priebehu času náhodne mení, čo vedie k strate kvantovej informácie a znemožňuje kvantové výpočty.

Identifikácia efektívnej reprezentácie je úplne automatická a nezávisí od žiadnych predchádzajúcich odhadov alebo predpokladov. kredit: Alexey Vagov

Kvantová koherencia a dynamika

Hlavnou výzvou, ktorej dnes mnohí výskumníci čelia, je zachovanie kvantovej koherencie na dlhé časové obdobia. To sa dá dosiahnuť presným popisom vývoja kvantového stavu s časom, ktorý je známy aj ako kvantová dynamika.

Vedci z MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials v spolupráci s kolegami z Nemecka a Spojeného kráľovstva vyvinuli automatickú kompresiu ľubovoľných prostredí (ACE) ako riešenie na štúdium interakcií qubitov s ich prostredím a výsledných zmien. ) navrhol algoritmus tzv ich kvantový stav s časom.

Pohľad do kvantovej dynamiky

„Takmer nekonečný počet vibračných režimov alebo stupňov voľnosti v prostredí robí výpočet kvantovej dynamiky obzvlášť náročným. V skutočnosti táto úloha pozostáva z výpočtu dynamiky jedného kvantového systému, ktorý je obklopený biliónmi ďalších. Priamy výpočet je v tomto prípade nemožný, pretože ho nedokáže zvládnuť žiadny počítač.

Nie všetky zmeny v životnom prostredí sú však rovnako dôležité: tie, ktoré sa vyskytujú v dostatočnej vzdialenosti od nášho kvantového systému, nie sú schopné zásadne ovplyvniť jeho dynamiku. „Rozdelenie na „relevantné“ a „irelevantné“ environmentálne stupne voľnosti je jadrom našej metódy,“ hovorí spoluautor článku Alexey Vagov, riaditeľ MIEM HSE Center for Quantum Metamateriály.

Feynmanova interpretácia a algoritmus ACE

Podľa interpretácie kvantovej mechaniky, ktorú navrhol slávny americký fyzik Richard Feynman, výpočet kvantového stavu systému zahŕňa výpočet súčtu všetkých možných spôsobov, ktorými možno stav dosiahnuť. Táto interpretácia predpokladá, že kvantová častica (systém) sa môže pohybovať všetkými možnými smermi, vrátane dopredu alebo dozadu, doprava alebo doľava a dokonca aj dozadu v čase. Na výpočet konečnej polohy častice sa musia spočítať kvantové pravdepodobnosti všetkých takýchto trajektórií.

„Problém je v tom, že existuje príliš veľa možných trajektórií dokonca aj pre jednu časticu, nieto pre celé prostredie. Náš algoritmus umožňuje brať do úvahy len tie trajektórie, ktoré významne prispievajú k dynamike qubitu, zatiaľ čo tie, ktoré prispievajú zanedbateľne, vynecháva. V našej metóde je vývoj qubitu a jeho prostredia zachytený tenzormi, čo sú matice alebo tabuľky čísel, ktoré popisujú stav celého systému v rôznych časových bodoch. Potom vyberieme iba tie časti tenzora, ktoré sú relevantné pre dynamiku systému, “vysvetľuje Alexey Vagov.

Záver: Dôsledky algoritmu ACE

Výskumníci zdôrazňujú, že algoritmus automatickej kompresie ľubovoľných prostredí je verejne dostupný a implementovaný ako počítačový kód. Podľa autorov to otvára úplne nové možnosti pre presné výpočty dynamiky mnohých kvantových systémov. Táto metóda umožňuje najmä odhadnúť čas do zapletenia fotón Páry v linkách kvantovej telefónie sa rozpadnú, vzdialenosť, na ktorú sa dá kvantová častica „teleportovať“, alebo čas, ktorý môže trvať, kým qubit kvantového počítača stratí koherenciu.

Referencia: „Simulácia otvorených kvantových systémov automatickou kompresiou arbitrárnych prostredí“ od Moritza Cygoreka, Michaela Kosachiho, Alexeyho Vagova, Vollratha Martina Exta, Brendana W Lovetta, Jonathana Keelinga a Erica M Gaugera, 24. marca 2022, fyzika prírody,
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9