Průkopnický algoritmus pro přesný výpočet Qubit

Praktické kvantové výpočty jsou o další krok blíž.

Vědci představili nový algoritmus nazvaný Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) určený ke studiu interakcí qubitů s okolním prostředím a následných změn v jejich kvantovém stavu. Zjednodušením výpočtu kvantové dynamiky tento algoritmus, založený na Feynmanově interpretaci kvantové mechaniky, nabízí nové způsoby, jak porozumět a využít kvantové systémy. Potenciální aplikace zahrnují pokroky v kvantové telefonii a počítačích, které poskytují přesnější předpovědi o kvantové koherenci a zapletení.

Konvenční počítače používají k přenosu informací qubity, reprezentované nulami a jedničkami, zatímco kvantové počítače místo toho používají kvantové bity (qubity). Podobně jako bity mají qubity dva hlavní stavy nebo hodnoty: 0 a 1. Na rozdíl od bitu však může qubit existovat v obou stavech současně.

I když se to může zdát jako matoucí ironie, lze to vysvětlit jednoduchou analogií s mincí. Klasický bit může být reprezentován jako natažená mince s hlavou nebo ocasy (jedna nebo nula) směřujícími nahoru, zatímco qubit lze považovat za otáčející se minci, která má také hlavy a ocasy, ale ať už jde o hlavy nebo ocasy, být určeno, jakmile se přestane točit, tj. ztratí svůj původní stav.

Když se rotující mince zastaví, může sloužit jako analogie pro kvantovou analogii, ve které je určen jeden ze dvou stavů qubitu. v Kvantitativní statistika, různé qubity musí být propojeny, například stavy 0(1) jednoho qubitu musí být jednoznačně spojeny se stavy 0(1) jiného qubitu. Když se kvantové stavy dvou nebo více objektů propojí, nazývá se to kvantové zapletení.

Výzva v kvantovém propletení

Hlavním problémem kvantového počítání je to, že qubity jsou obklopeny prostředím a interagují s ním. Tato interakce může způsobit zhoršení kvantového zapletení qubitů, což způsobí, že se od sebe oddělí.

Podobnost dvou měn může pomoci pochopit tento koncept. Pokud jsou dvě stejné mince roztočeny najednou a brzy poté vypnuty, mohou skončit stejnou stranou nahoru, ať už hlavami nebo ocasy. Tuto synchronizaci mezi mincemi lze přirovnat ke kvantovému provázání. Pokud se však mince budou otáčet delší dobu, časem ztratí synchronizaci a již nebudou mít stejnou stranu – hlavu nebo ocas – obrácenou nahoru.

Ke ztrátě synchronizace dochází proto, že točící se mince postupně ztrácejí energii, především v důsledku tření o stůl, a každá mince to dělá jedinečným způsobem. V kvantové sféře tření nebo ztráta energie v důsledku interakce s prostředím nakonec vede ke kvantové dekoherenci, což znamená ztrátu synchronizace mezi qubity. To má za následek rozfázování qubitů, při kterém se fáze kvantového stavu (reprezentovaná úhlem natočení mince) v průběhu času náhodně mění, což způsobuje ztrátu kvantové informace a znemožňuje kvantové výpočty.

Efektivní znázornění je určeno zcela automaticky a není založeno na žádných aproximacích nebo předem vytvořených předpokladech. Kredit: Alexej Vagov

Kvantová koherence a dynamika

Hlavním problémem, kterému dnes mnozí výzkumníci čelí, je udržení kvantové koherence po delší období. Toho lze dosáhnout přesným popisem vývoje kvantového stavu v průběhu času, známého také jako kvantová dynamika.

Vědci z MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials ve spolupráci s kolegy z Německa a Spojeného království navrhli algoritmus nazvaný Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) jako řešení pro studium interakce qubitů s jejich prostředím a výsledných změn. v jejich kvantovém stavu v průběhu času.

Vhled do kvantové dynamiky

„Téměř nekonečný počet vibračních režimů nebo stupňů volnosti v prostředí činí výpočet kvantové dynamiky obzvláště obtížným. Ve skutečnosti tento úkol zahrnuje výpočet dynamiky jednoho kvantového systému, zatímco je obklopen biliony dalších. Přímý výpočet v tomto není možný. případ, protože si s tím žádný počítač neporadí.

Ne všechny změny v prostředí však mají stejný význam: ty, které se odehrávají v dostatečné vzdálenosti od našeho kvantového systému, nejsou schopny zásadním způsobem ovlivnit jeho dynamiku. Základem naší metody je rozdělení na „relevantní“ a „irelevantní“ stupně volnosti prostředí,“ říká Alexei Vagof, spoluautor článku a ředitel MIEM HSE Center for Quantitative Metamateriály.

Feynmanova interpretace a algoritmus ACE

Podle výkladu kvantové mechaniky, který navrhl slavný americký fyzik Richard Feynman, výpočet kvantového stavu systému zahrnuje výpočet součtu všech možných způsobů, jakými lze stavu dosáhnout. Toto vysvětlení předpokládá, že kvantová částice (systém) se může pohybovat všemi možnými směry, včetně dopředu nebo dozadu, doprava nebo doleva a dokonce i zpět v čase. Pro výpočet konečného stavu částice je nutné sečíst kvantové pravděpodobnosti všech těchto trajektorií.

Problém je v tom, že i pro jedinou částici existuje mnoho možných trajektorií, nemluvě o celém prostředí. Náš algoritmus umožňuje uvažovat pouze cesty, které významně přispívají k dynamice qubitu, a přitom eliminovat ty, které jsou zanedbatelné. V naší metodě je vývoj qubitu a jeho prostředí zachycen tenzory, což jsou matice nebo tabulky čísel, které popisují stav celého systému v různých časových bodech. Z tenzorů pak vybíráme jen ty části, které jsou relevantní pro dynamiku systému,“ vysvětluje Alexey Vagoff.

Závěr: Důsledky algoritmu ACE

Výzkumníci tvrdí, že automatický kompresní algoritmus pro libovolná prostředí je veřejně dostupný a implementovaný jako počítačový kód. Podle autorů otevírá zcela nové možnosti pro přesný výpočet dynamiky více kvantových systémů. Tato metoda umožňuje zejména odhadnout dobu do zapletení Foton Páry v linkách kvantové telefonie se rozpletou, což je to, jak daleko se může kvantová částice teleportovat nebo jak dlouho může trvat, než qubity kvantového počítače ztratí koherenci.

Reference: „Simulace otevřených kvantových systémů pomocí automatické komprese náhodných prostředí“ od Moritze Sigurka, Michaela Kozacchiho, Alekseyho Fagova, Vollrath-Martina Aksta, Brendona W. Lovetta, Jonathana Keelinga a Erica M. Gugera, 24. března 2022, k dispozici tady. přírodní fyzika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9