Pionierski algorytm do dokładnych obliczeń Qubit

Praktyczne obliczenia kwantowe są o krok bliżej.

Naukowcy wprowadzili nowy algorytm o nazwie Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE), przeznaczony do badania interakcji kubitów z otaczającym je środowiskiem i późniejszych zmian ich stanu kwantowego. Upraszczając obliczenia dynamiki kwantowej, ten algorytm, oparty na interpretacji mechaniki kwantowej Feynmana, oferuje nowe sposoby zrozumienia i wykorzystania systemów kwantowych. Potencjalne zastosowania obejmują postępy w telefonii kwantowej i komputerach, zapewniające dokładniejsze prognozy dotyczące kwantowej spójności i splątania.

Konwencjonalne komputery używają kubitów, reprezentowanych przez zera i jedynki, do przesyłania informacji, podczas gdy komputery kwantowe zamiast tego używają bitów kwantowych (kubitów). Podobnie jak bity, kubity mają dwa główne stany lub wartości: 0 i 1. Jednak w przeciwieństwie do bitu kubit może znajdować się w obu stanach jednocześnie.

Chociaż może się to wydawać zaskakującą ironią, można to wyjaśnić prostą analogią z monetą. Klasyczny bit można przedstawić jako wyciągniętą monetę z reszką lub reszką (jedynką lub zerem) skierowaną do góry, podczas gdy kubit można traktować jako wirującą monetę, która również ma orła i reszkę, ale niezależnie od tego, czy jest to orzeł, czy reszka, można określić, gdy tylko przestanie się obracać, tj. straci swój pierwotny stan.

Kiedy wirująca moneta się zatrzymuje, może to służyć jako analogia do analogii kwantowej, w której określany jest jeden z dwóch stanów kubitu. W Statystyki ilościowe, różne kubity muszą być ze sobą połączone, na przykład stany 0(1) jednego kubitu muszą być jednoznacznie powiązane ze stanami 0(1) innego kubitu. Kiedy stany kwantowe dwóch lub więcej obiektów zostają ze sobą połączone, nazywa się to splątaniem kwantowym.

Wyzwanie splątania kwantowego

Główną trudnością związaną z komputerami kwantowymi jest to, że kubity są otoczone środowiskiem i wchodzą z nim w interakcje. Ta interakcja może spowodować pogorszenie splątania kwantowego kubitów, powodując ich oddzielenie od siebie.

Podobieństwo dwóch walut może pomóc w zrozumieniu tej koncepcji. Jeśli dwie identyczne monety zostaną obrócone jednocześnie, a następnie wkrótce potem wyłączone, mogą skończyć tą samą stroną do góry, niezależnie od tego, czy są orłami, czy reszkami. Tę synchronizację między monetami można porównać do splątania kwantowego. Jeśli jednak monety obracają się przez dłuższy czas, w końcu stracą synchronizację i nie będą już kończyć z tą samą stroną – głową lub ogonem – skierowaną do góry.

Utrata synchronizacji następuje, ponieważ wirujące monety stopniowo tracą energię, głównie z powodu tarcia o stół, a każda moneta robi to w wyjątkowy sposób. W sferze kwantowej tarcie lub utrata energii w wyniku interakcji z otoczeniem ostatecznie prowadzi do dekoherencji kwantowej, co oznacza utratę synchronizacji między kubitami. Powoduje to odfazowanie kubitów, w którym faza stanu kwantowego (reprezentowana przez kąt obrotu monety) zmienia się losowo w czasie, powodując utratę informacji kwantowej i uniemożliwiając obliczenia kwantowe.

Efektywna reprezentacja jest ustalana całkowicie automatycznie i nie opiera się na żadnych przybliżeniach ani z góry przyjętych założeniach. Źródło: Aleksiej Wagow

Koherencja i dynamika kwantowa

Głównym wyzwaniem, przed którym stoi dziś wielu naukowców, jest utrzymanie spójności kwantowej przez dłuższy czas. Można to osiągnąć, dokładnie opisując ewolucję stanu kwantowego w czasie, znaną również jako dynamika kwantowa.

Naukowcy z MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials we współpracy z kolegami z Niemiec i Wielkiej Brytanii zaproponowali algorytm o nazwie Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) jako rozwiązanie do badania interakcji kubitów z ich otoczeniem i wynikających z nich zmian w swoim stanie kwantowym w czasie.

Wgląd w dynamikę kwantową

„Prawie nieskończona liczba trybów drgań lub stopni swobody w środowisku sprawia, że ​​obliczanie dynamiki kwantowej jest szczególnie trudne. Rzeczywiście, zadanie to obejmuje obliczenie dynamiki pojedynczego układu kwantowego w otoczeniu bilionów innych. Bezpośrednie obliczenie jest w tym przypadku niemożliwe, bo żaden komputer sobie z tym nie poradzi.

Jednak nie wszystkie zmiany w środowisku mają takie samo znaczenie: te, które zachodzą w wystarczającej odległości od naszego układu kwantowego, nie są w stanie wpłynąć na jego dynamikę w znaczący sposób. Podział na „istotne” i „nieistotne” środowiskowe stopnie swobody leży u podstaw naszej metody” – mówi Alexei Vagof, współautor artykułu i dyrektor MIEM HSE Center for Quantitative Metamaterials.

Interpretacja Feynmana i algorytm ACE

Zgodnie z interpretacją mechaniki kwantowej zaproponowaną przez słynnego amerykańskiego fizyka Richarda Feynmana obliczenie stanu kwantowego układu polega na obliczeniu sumy wszystkich możliwych sposobów osiągnięcia tego stanu. Wyjaśnienie to zakłada, że ​​cząstka kwantowa (układ) może poruszać się we wszystkich możliwych kierunkach, w tym do przodu lub do tyłu, w prawo lub w lewo, a nawet wstecz w czasie. Kwantowe prawdopodobieństwa wszystkich tych trajektorii należy dodać, aby obliczyć końcowy stan cząstki.

Problem polega na tym, że istnieje wiele możliwych trajektorii nawet dla pojedynczej cząstki, nie mówiąc już o całym środowisku. Nasz algorytm umożliwia uwzględnienie tylko ścieżek, które znacząco przyczyniają się do dynamiki kubitów, eliminując te, które są nieistotne. W naszej metodzie ewolucja kubitu i jego otoczenia jest rejestrowana przez tensory, które są macierzami lub tablicami liczb opisującymi stan całego systemu w różnych punktach czasowych. Następnie wybieramy tylko te części tensorów, które są istotne dla dynamiki systemu”, wyjaśnia Alexey Vagov.

Wniosek: Implikacje algorytmu ACE

Naukowcy twierdzą, że algorytm automatycznej kompresji dla dowolnych środowisk jest publicznie dostępny i zaimplementowany jako kod komputerowy. Zdaniem autorów otwiera to zupełnie nowe możliwości dokładnego obliczania dynamiki wielu układów kwantowych. W szczególności metoda ta umożliwia oszacowanie czasu do splątania Foton Pary w kwantowych liniach telefonicznych staną się niesplątane, czyli jak daleko cząsteczka kwantowa może się teleportować lub ile czasu może zająć kubitom komputera kwantowego utrata spójności.

Odniesienie: „Symulacja otwartych systemów kwantowych przez zautomatyzowaną kompresję losowych środowisk” Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling i Eric M. Guger, 24 marca 2022 r., dostępny Tutaj. fizyka przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9