Úttörő algoritmus a pontos Qubit számításhoz

A gyakorlati kvantumszámítás egy újabb lépéssel közelebb került.

A kutatók bevezették az Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) nevű új algoritmust, amely a qubitek és a környező környezet közötti kölcsönhatások, valamint a kvantumállapotuk későbbi változásainak tanulmányozására szolgál. A kvantumdinamika számításának egyszerűsítésével ez az algoritmus, amely a kvantummechanika Feynman-értelmezésén alapul, új módokat kínál a kvantumrendszerek megértésére és hasznosítására. A lehetséges alkalmazások közé tartozik a kvantumtelefónia és a számítástechnika fejlődése, amelyek pontosabb előrejelzéseket adnak a kvantumkoherenciáról és összefonódásról.

A hagyományos számítógépek qubiteket használnak, amelyeket nullák és egyesek képviselnek az információ továbbítására, míg a kvantumszámítógépek kvantumbiteket (qubiteket) használnak helyette. A bitekhez hasonlóan a qubiteknek két fő állapota vagy értéke van: 0 és 1. A bittel ellentétben azonban egy qubit mindkét állapotban létezhet egyszerre.

Bár ez zavarba ejtő iróniának tűnhet, egy érmével való egyszerű hasonlattal magyarázható. A klasszikus bit ábrázolható kinyújtott érmének, amelynek feje vagy farkai (egy vagy nulla) felfelé néznek, míg a qubit felfogható egy forgó érmének, amelynek szintén van feje és farka, de akár fejek, akár farok. azonnal meghatározható, amint abbahagyja a forgást, azaz elveszti eredeti állapotát.

Amikor egy forgó érme megáll, analógiaként szolgálhat egy kvantumanalógiához, amelyben a qubit két állapota közül az egyiket határozzák meg. ban ben Mennyiségi statisztika, a különböző qubiteket össze kell kapcsolni, például egy qubit 0(1) állapotát egyedileg kell társítani egy másik qubit 0(1) állapotához. Ha két vagy több objektum kvantumállapotai összekapcsolódnak, azt kvantumösszefonódásnak nevezzük.

Kvantumösszefonódás kihívás

A kvantumszámítással kapcsolatos fő nehézség az, hogy a qubiteket egy környezet veszi körül, és azzal kölcsönhatásba lépnek. Ez a kölcsönhatás a qubitek kvantumösszefonódásának romlását okozhatja, amitől elválik egymástól.

A két pénznem hasonlósága segíthet megérteni ezt a fogalmat. Ha két egyforma érmét egyszerre pörgetnek meg, majd röviddel ezután kikapcsolják, előfordulhat, hogy ugyanazzal az oldalukkal felfelé néznek, legyen szó fejről vagy farkról. Ez az érmék közötti szinkronizálás a kvantumösszefonódáshoz hasonlítható. Ha azonban az érmék hosszabb ideig forognak, végül elvesztik a szinkronizálást, és többé nem ugyanaz az oldal – a fej vagy a farok – néz felfelé.

A szinkronizálás elvesztése azért következik be, mert a forgó érmék fokozatosan veszítenek energiából, főleg az asztallal való súrlódás miatt, és ezt minden érme egyedi módon teszi. A kvantum birodalomban a súrlódás vagy a környezettel való kölcsönhatás miatti energiaveszteség végül kvantumdekoherenciához vezet, ami a qubitek közötti szinkronizáció elvesztését jelenti. Ez a qubitek dephasingját eredményezi, amelyben a kvantumállapot fázisa (amelyet az érme elfordulási szöge képvisel) véletlenszerűen változik az idő múlásával, ami kvantuminformáció-vesztést okoz, és lehetetlenné teszi a kvantumszámítást.

A hatékony reprezentációt teljesen automatikusan határozzák meg, és nem alapulnak semmilyen közelítésen vagy előzetes feltételezésen. Hitel: Alekszej Vagov

Kvantumkoherencia és dinamika

A fő kihívás, amellyel manapság sok kutató szembesül, a kvantumkoherencia hosszabb ideig tartó fenntartása. Ezt úgy érhetjük el, hogy pontosan leírjuk egy kvantumállapot időbeli alakulását, más néven kvantumdinamikát.

A MIEM HSE Quantum Metamaterials Központ tudósai német és egyesült királyságbeli kollégákkal együttműködve egy olyan algoritmust javasoltak, amely az Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) nevet kapta, mint megoldást a qubitek környezetükkel való kölcsönhatásának és az ebből eredő változásoknak a tanulmányozására. idővel kvantumállapotukban.

Betekintés a kvantumdinamikába

„A környezetben szinte végtelen számú rezgésmód vagy szabadsági fok különösen megnehezíti a kvantumdinamika számítását. Valójában ez a feladat egyetlen kvantumrendszer dinamikájának kiszámításával jár, miközben azt több billió más veszi körül. Közvetlen számítás ebben az esetben lehetetlen esetre, mivel egyetlen számítógép sem képes megbirkózni vele.

A környezetben végbemenő minden változás azonban nem egyenlő jelentőséggel: azok, amelyek kvantumrendszerünktől kellő távolságban következnek be, nem képesek jelentős mértékben befolyásolni annak dinamikáját. Módszerünk alapja a „releváns” és „irreleváns” környezeti szabadságfokokra való felosztás” – mondja Alekszej Vagof, a cikk társszerzője, a MIEM HSE Kvantitatív Metaanyagokkal foglalkozó Központjának igazgatója.

Feynman értelmezés és az ACE algoritmus

A kvantummechanikának a híres amerikai fizikus, Richard Feynman által javasolt értelmezése szerint egy rendszer kvantumállapotának kiszámítása magában foglalja az állapot elérésének minden lehetséges módja összegének kiszámítását. Ez a magyarázat azt feltételezi, hogy egy kvantumrészecske (a rendszer) minden lehetséges irányba mozoghat, ideértve előre vagy hátra, jobbra vagy balra, sőt az időben visszafelé is. Ezen pályák kvantumvalószínűségét össze kell adni a részecske végső állapotának kiszámításához.

A probléma az, hogy akár egyetlen részecske számára is sok lehetséges pálya létezik, nem is beszélve az egész környezetről. Algoritmusunk lehetővé teszi, hogy csak azokat az útvonalakat vegyük figyelembe, amelyek jelentősen hozzájárulnak a qubit dinamikájához, miközben kiküszöböljük azokat, amelyek elhanyagolhatóak. Módszerünkben a qubit és környezetének alakulását tenzorok rögzítik, amelyek olyan mátrixok vagy számtáblázatok, amelyek leírják a teljes rendszer állapotát különböző időpontokban. Ezután a tenzoroknak csak azokat a részeit választjuk ki, amelyek relevánsak a rendszer dinamikája szempontjából” – magyarázza Alexey Vagoff.

Következtetés: Az ACE algoritmus következményei

A kutatók azt állítják, hogy az automatizált tömörítési algoritmus tetszőleges környezetekhez nyilvánosan elérhető és számítógépes kódként implementálható. A szerzők szerint teljesen új lehetőségeket nyit meg több kvantumrendszer dinamikájának pontos kiszámításához. Ez a módszer különösen lehetővé teszi az összefonódásig eltelt idő becslését Foton A kvantumtelefonvonalak párjai kibontakoznak, vagyis mennyi ideig tud teleportálódni egy kvantumrészecske, vagy mennyi időbe telhet, amíg a kvantumszámítógép qubitjei elveszítik koherenciáját.

Hivatkozás: „Nyílt kvantumrendszerek szimulációja véletlenszerű környezetek automatizált tömörítésével” Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling és Eric M. Guger, 2022. március 24., elérhető itt. természetfizika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9