Пионерски алгоритъм за точно изчисление на Qubit

Учените разработиха алгоритъма ACE, за да изследват взаимодействията на кубитите и промените в тяхното квантово състояние, опростявайки изчисленията на квантовата динамика и проправяйки пътя за напредък в квантовите изчисления и телефонията.

Практическото квантово изчисление е още една стъпка по-близо.

Изследователите въведоха нов алгоритъм, наречен Автоматизирано компресиране на произволни среди (ACE), предназначен да изследва взаимодействията на кубитите със заобикалящата ги среда и последващите промени в тяхното квантово състояние. Чрез опростяване на изчисленията на квантовата динамика, този алгоритъм, базиран на интерпретацията на квантовата механика на Файнман, предлага нови начини за разбиране и използване на квантовите системи. Потенциалните приложения включват напредъка в квантовата телефония и компютрите, предоставящи по-точни прогнози за квантовата кохерентност и заплитане.

Конвенционалните компютри използват кубити, представени от нули и единици, за предаване на информация, докато квантовите компютри вместо това използват квантови битове (кубити). Подобно на битовете, кубитите имат две основни състояния или стойности: 0 и 1. Въпреки това, за разлика от бита, кубитът може да съществува и в двете състояния едновременно.

Въпреки че това може да изглежда като озадачаваща ирония, може да се обясни с проста аналогия с монета. Класическият бит може да бъде представен като протегната монета с глава или опашка (едно или нула), обърната нагоре, докато кубитът може да се разглежда като въртяща се монета, която също има глави и опашки, но дали е глави или опашки може се определя веднага щом спре да се върти, т.е. загуби първоначалното си състояние.

Когато една въртяща се монета спре, това може да служи като аналогия за квантова аналогия, в която се определя едно от двете състояния на кубита. в Количествена статистика, различните кубити трябва да бъдат свързани заедно, например състояния 0(1) на един кубит трябва да бъдат уникално свързани със състояния 0(1) на друг кубит. Когато квантовите състояния на два или повече обекта станат взаимосвързани, това се нарича квантово заплитане.

Предизвикателство за квантово заплитане

Основната трудност с квантовите изчисления е, че кубитите са заобиколени от среда и взаимодействат с нея. Това взаимодействие може да доведе до влошаване на квантовото заплитане на кубитите, което ги кара да се отделят един от друг.

Сходството на две валути може да помогне за разбирането на тази концепция. Ако две еднакви монети се завъртят наведнъж и след това се изключат скоро след това, те може да се окажат с една и съща страна нагоре, независимо дали глави или опашки. Тази синхронизация между монетите може да се сравни с квантово заплитане. Ако обаче монетите продължат да се въртят за по-дълъг период от време, те в крайна сметка ще загубят синхронизация и вече няма да се окажат с една и съща страна – глава или опашка – обърната нагоре.

Загубата на синхронизация възниква, защото въртящите се монети постепенно губят енергия, главно поради триене с масата, и всяка монета прави това по уникален начин. В квантовата сфера триенето или загубата на енергия поради взаимодействие с околната среда в крайна сметка води до квантова декохерентност, което означава загуба на синхронизация между кубитите. Това води до дефазиране на кубити, при което фазата на квантовото състояние (представена от ъгъла на въртене на монетата) се променя произволно във времето, което води до загуба на квантова информация и прави квантовото изчисление невъзможно.

Ефективното представяне се определя напълно автоматично и не се основава на никакви приближения или предубедени допускания. Кредит: Алексей Вагов

Квантова кохерентност и динамика

Основното предизвикателство, пред което са изправени много изследователи днес, е поддържането на квантовата кохерентност за по-дълги периоди. Това може да се постигне чрез точно описание на еволюцията на квантово състояние във времето, известно още като квантова динамика.

Учени от Центъра за квантови метаматериали MIEM HSE, в сътрудничество с колеги от Германия и Обединеното кралство, предложиха алгоритъм, наречен Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) като решение за изследване на взаимодействието на кубитите с тяхната среда и произтичащите от това промени в тяхното квантово състояние във времето.

Вникване в квантовата динамика

„Почти безкрайният брой режими на вибрации или степени на свобода в околната среда прави изчисляването на квантовата динамика особено трудно. Всъщност тази задача включва изчисляване на динамиката на една квантова система, докато тя е заобиколена от трилиони други. Директното изчисление е невъзможно в това случай, тъй като никой компютър не може да се справи с него.

Въпреки това, не всички промени в околната среда имат еднакво значение: тези, които се случват на достатъчно разстояние от нашата квантова система, не са в състояние да повлияят на нейната динамика по основни начини. Разделението на „релевантни“ и „нерелевантни“ степени на свобода на околната среда е в основата на нашия метод“, казва Алексей Вагоф, съавтор на статията и директор на MIEM HSE Център за количествени метаматериали.

Интерпретация на Файнман и алгоритъмът ACE

Според тълкуването на квантовата механика, предложено от известния американски физик Ричард Файнман, изчисляването на квантовото състояние на система включва изчисляване на сбора от всички възможни начини, по които състоянието може да бъде постигнато. Това обяснение предполага, че една квантова частица (системата) може да се движи във всички възможни посоки, включително напред или назад, надясно или наляво и дори назад във времето. Квантовите вероятности на всички тези траектории трябва да се добавят, за да се изчисли крайното състояние на частицата.

Проблемът е, че има много възможни траектории дори за една частица, да не говорим за цялата среда. Нашият алгоритъм дава възможност да се разглеждат само пътища, които допринасят значително за динамиката на кубита, като същевременно елиминира тези, които са незначителни. В нашия метод еволюцията на кубита и неговата среда се улавят от тензори, които са матрици или таблици с числа, които описват състоянието на цялата система в различни моменти от време. След това избираме само онези части от тензорите, които са подходящи за динамиката на системата“, обяснява Алексей Вагоф.

Заключение: Последици от алгоритъма ACE

Изследователите твърдят, че автоматизираният алгоритъм за компресиране за произволни среди е публично достъпен и имплементиран като компютърен код. Според авторите, това отваря напълно нови възможности за точното изчисляване на динамиката на множество квантови системи. По-специално, този метод дава възможност да се оцени времето до заплитането Фотон Двойките в квантовите телефонни линии ще се разплетат, разстоянието, което една квантова частица може да измине на разстояние, или колко време може да отнеме на кубитите на квантовия компютър да загубят кохерентност.

Справка: „Симулация на отворени квантови системи чрез автоматизирано компресиране на случайни среди“ от Мориц Сигорек, Майкъл Козачи, Алексей Фагов, Волрат-Мартин Акст, Брендън У. Ловет, Джонатан Кийлинг и Ерик М. Гугер, 24 март 2022 г., наличен тук. физика на природата.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9