Praktinis kvantinis skaičiavimas yra dar vienas žingsnis arčiau.

Tyrėjai pristatė naują algoritmą, pavadintą Automated Compression of Arbitrary Environment (ACE), skirtą tirti kubitų sąveiką su juos supančia aplinka ir vėlesnius jų kvantinės būsenos pokyčius. Supaprastindamas kvantinės dinamikos skaičiavimą, šis algoritmas, pagrįstas Feynmano kvantinės mechanikos interpretacija, siūlo naujus būdus suprasti ir panaudoti kvantines sistemas. Galimas pritaikymas apima kvantinės telefonijos ir skaičiavimo pažangą, teikiančią tikslesnes prognozes apie kvantinę darną ir įsipainiojimą.

Įprasti kompiuteriai informacijai perduoti naudoja kubitus, pavaizduotus nuliais ir vienetais, o kvantiniai kompiuteriai vietoj to naudoja kvantinius bitus (kubitus). Panašiai kaip bitai, kubitai turi dvi pagrindines būsenas arba reikšmes: 0 ir 1. Tačiau skirtingai nei bitas, kubitas gali egzistuoti abiejose būsenose vienu metu.

Nors tai gali atrodyti kaip gluminanti ironija, tai galima paaiškinti paprasta analogija su moneta. Klasikinis bitas gali būti vaizduojamas kaip ištiesta moneta, kurios galva arba uodegos (viena arba nulis) yra nukreiptos į viršų, o kubitas gali būti laikomas besisukančia moneta, kuri taip pat turi galvutes ir uodegas, tačiau nesvarbu, ar tai yra galvutės ar uodegos nustatyti, kai tik jis nustos suktis, t. y. praranda pradinę būseną.

Kai besisukanti moneta sustoja, ji gali būti analogija kvantinei analogijai, kurioje nustatoma viena iš dviejų kubito būsenų. in Kiekybinė statistika, skirtingi kubitai turi būti susieti kartu, pavyzdžiui, vieno kubito būsenos 0(1) turi būti vienareikšmiškai susietos su kito kubito būsenomis 0(1). Kai dviejų ar daugiau objektų kvantinės būsenos susijungia tarpusavyje, tai vadinama kvantiniu susipynimu.

Kvantinio įsipainiojimo iššūkis

Pagrindinis kvantinio skaičiavimo sunkumas yra tas, kad kubitai yra apsupti aplinkos ir su ja sąveikauja. Dėl šios sąveikos gali pablogėti kubitų kvantinis įsipainiojimas, todėl jie atsiskiria vienas nuo kito.

Dviejų valiutų panašumas gali padėti suprasti šią sąvoką. Jei dvi identiškos monetos susukamos iš karto ir netrukus išjungiamos, jų galva ar uodega gali būti ta pačia puse į viršų. Šią monetų sinchronizaciją galima palyginti su kvantiniu susipynimu. Tačiau jei monetos sukasi ilgesnį laiką, jos ilgainiui praras sinchronizavimą ir nebebus nukreiptos ta pačia puse – galva ar uodega – į viršų.

Sinchronizavimas prarandamas, nes besisukančios monetos palaipsniui praranda energiją, daugiausia dėl trinties su stalu, ir kiekviena moneta tai daro unikaliu būdu. Kvantinėje srityje trintis arba energijos praradimas dėl sąveikos su aplinka galiausiai sukelia kvantinį dekoherenciją, o tai reiškia, kad prarandama sinchronizacija tarp kubitų. Dėl to atsiranda kubitų fazė, kai kvantinės būsenos fazė (pavaizduota monetos sukimosi kampu) laikui bėgant atsitiktinai keičiasi, todėl prarandama kvantinė informacija ir kvantinis skaičiavimas tampa neįmanomas.

Veiksmingas vaizdavimas nustatomas visiškai automatiškai ir nėra pagrįstas jokiais apytiksliais skaičiavimais ar išankstinėmis prielaidomis. Kreditas: Aleksejus Vagovas

Kvantinė darna ir dinamika

Pagrindinis iššūkis, su kuriuo šiandien susiduria daugelis mokslininkų, yra kvantinės darnos palaikymas ilgesnį laiką. Tai galima pasiekti tiksliai aprašant kvantinės būsenos raidą laikui bėgant, dar vadinamą kvantine dinamika.

MIEM HSE Kvantinių metamedžiagų centro mokslininkai, bendradarbiaudami su kolegomis iš Vokietijos ir Jungtinės Karalystės, pasiūlė algoritmą, pavadintą Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE), kaip sprendimą tirti kubitų sąveiką su aplinka ir dėl to atsirandančius pokyčius. savo kvantinėje būsenoje laikui bėgant.

Įžvalga apie kvantinę dinamiką

„Beveik begalinis vibracijos režimų ar laisvės laipsnių skaičius aplinkoje ypač apsunkina kvantinės dinamikos skaičiavimą. Iš tiesų, ši užduotis apima vienos kvantinės sistemos dinamikos apskaičiavimą, kai ją supa trilijonai kitų. Tiesioginis skaičiavimas šiuo atveju neįmanomas. nes joks kompiuteris negali su tuo susitvarkyti.

Tačiau ne visi aplinkos pokyčiai yra vienodai svarbūs: tie, kurie vyksta pakankamu atstumu nuo mūsų kvantinės sistemos, negali iš esmės paveikti jos dinamikos. Mūsų metodo pagrindas yra skirstymas į „atitinkamus“ ir „nesvarbius“ aplinkos laisvės laipsnius“, – sako Aleksejus Vagofas, straipsnio bendraautorius ir MIEM HSE kiekybinių metamedžiagų centro direktorius.

Feynmano interpretacija ir AKF algoritmas

Remiantis garsaus amerikiečių fiziko Richardo Feynmano pasiūlytu kvantinės mechanikos aiškinimu, sistemos kvantinės būsenos apskaičiavimas apima visų galimų būdų, kuriais galima pasiekti būseną, sumą. Šiame paaiškinime daroma prielaida, kad kvantinė dalelė (sistema) gali judėti visomis įmanomomis kryptimis, įskaitant pirmyn arba atgal, dešinėn arba kairėn ir net atgal laiku. Norint apskaičiuoti galutinę dalelės būseną, reikia pridėti visų šių trajektorijų kvantines tikimybes.

Problema ta, kad yra daug galimų net vienos dalelės trajektorijų, jau nekalbant apie visą aplinką. Mūsų algoritmas leidžia atsižvelgti tik į tuos kelius, kurie reikšmingai prisideda prie kubitų dinamikos, pašalinant tuos, kurie yra nereikšmingi. Mūsų metodu kubito ir jo aplinkos raida fiksuojama tenzoriais, kurie yra skaičių matricos arba lentelės, apibūdinančios visos sistemos būseną skirtingais laiko momentais. Tada parenkame tik tas tenzorių dalis, kurios yra svarbios sistemos dinamikai“, – aiškina Aleksejus Vagovas.

Išvada: AKF algoritmo pasekmės

Tyrėjai tvirtina, kad automatinis suspaudimo algoritmas savavališkoms aplinkoms yra viešai prieinamas ir įgyvendinamas kaip kompiuterio kodas. Pasak autorių, tai atveria visiškai naujas galimybes tiksliai apskaičiuoti kelių kvantinių sistemų dinamiką. Visų pirma, šis metodas leidžia įvertinti laiką iki įsipainiojimo Fotonas Kvantinės telefonijos linijų poros išsipainios, ty kiek kvantinė dalelė gali teleportuotis arba kiek laiko gali praeiti, kol kvantinio kompiuterio kubitai praras darną.

Nuoroda: Moritzas Sigorekas, Michaelas Kozacchi, Aleksey Fagovas, Vollrathas-Martinas Akstas, Brendonas W. Lovettas, Jonathanas Keelingas ir Ericas M. Gugeris „Atvirų kvantinių sistemų modeliavimas automatiniu būdu suspaudus atsitiktines aplinkas“, 2022 m. kovo 24 d. čia. gamtos fizika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9