Компьютер обучили предсказывать сложную динамику кубитов — Naked Science
10 минут
ФизТех

Компьютер обучили предсказывать сложную динамику кубитов

4.8

Сотрудники лаборатории квантовой теории информации МФТИ впервые разработали универсальный инструментарий, позволяющий по результатам измерений над квантовой системой «выучить» неизвестное окружение системы и предсказать динамику квантовой системы под действием внешнего управления.

Квантовый шум / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Physical Review Letters. Для практической реализации квантовых вычислений требуется решить сложную задачу: эффективно управлять динамикой квантовых битов (кубитов) при наличии внешних шумов.

Если бы кубиты были идеально изолированы от окружения, то шумов бы не было, однако и воздействовать на эволюцию кубитов было бы невозможно, а значит, было бы невозможно выполнить ни один протокол обработки квантовой информации.

«Открытость» кубитов к контролирующим воздействиям делает их уязвимыми как к шумам управления, так и к шумам, вызванным неизбежным взаимодействием с окружающими квантовыми объектами (например, примесями и паразитными модами излучения).

Особую опасность представляют шумы немарковского типа, то есть шумы, в которых проявляются «эффекты памяти». Их действие на кубиты зависит от всех предыдущих состояний кубитов, а значит, учесть их или компенсировать их влияние довольно трудно. Такие шумы в той или иной степени присутствуют во всех современных прототипах квантовых компьютеров, что делает борьбу с ними особенно актуальной.

Разрывные линии показывают, что состояние системы испытывает «коллапс» при измерениях / ©Physical Review Letters / Пресс-служба МФТИ

Единственный практический способ извлечь информацию о квантовой системе — измерить ее, но здесь в дело вступает фундаментальный закон о невозможности извлечения информации без возмущения квантовой системы. При выполнении измерения над системой происходит «коллапс» волновой функции, в результате чего состояние системы после измерения фактически никак не связано с состоянием до измерения; теория дает предсказание лишь для вероятности обнаружить систему в некотором новом состоянии.

Поэтому для «восстановления» состояния квантовой системы проводят множество различных измерений, чтобы собрать достаточно статистической информации. Этот статистический метод называется томографией квантовых состояний и требует значительных ресурсов как по проведению эксперимента, так и по обработке собранных данных.

Результат работы нового алгоритма машинного обучения для квантовых систем: сплошная кривая — теория, пунктирная кривая — предсказание алгоритма / ©Physical Review Letters / Пресс-служба МФТИ

Если же необходимо восстановить динамику квантовой системы во времени, то в стандартном подходе требуется выполнить трудоемкий процесс томографии для всех интересующих моментов времени, что «съедает» колоссальное количество ресурсов эксперимента.

Допустим, нам интересно поведение одного кубита, взаимодействующего со сложным окружением. Предположим, что мы нашли много сил и времени, чтобы все-таки томографировать немарковскую динамику кубита во времени. Теперь мы попробуем немного поправить внешнее управляющее воздействие, оказываемое на кубит, чтобы улучшить его работу. Но, оказывается, что все наши усилия были напрасными.

Предложенный учеными алгоритм машинного обучения позволяет правильно учесть влияние управляющего воздействия V на систему S (синие кривые), в то время как стандартный подход на основе томографии процесса не может этого сделать (черные точки) / ©Physical Review Letters / Пресс-служба МФТИ

Из-за наличия сильных корреляций между системой и окружением в случае немарковской динамики будет совершенно невозможно предсказать изменение динамики кубита вследствие приложенного внешнего управляющего воздействия. Это печальное обстоятельство заставляет ученых искать другие пути решения проблемы восстановления немарковской квантовой динамики, а также придумывать модели, которые способны учесть изменение внешнего управляющего сигнала.

Группа ученых из МФТИ пошла по пути разработки нового алгоритма машинного обучения, который был бы применим к задачам квантовой физики и учитывал бы непривычные для классического мира явления вроде невозможности извлечения информации без возмущения квантовой системы. Для этого ими была придумана модель, описывающая результаты последовательных измерений над системой.

«Нашей группе впервые удалось разработать новый подход, который не использует повторных приготовлений системы и трудоемких процессов томографии. Дело в том, что хотя результаты последовательных измерений над системой и выглядят случайными, они тем не менее обладают структурой, которую способен распознать предложенный нами алгоритм машинного обучения.

В результате работы алгоритм строит эффективную модель окружения, которая допускает включение произвольных управляющих импульсов над системой. Это открывает возможность управления открытыми квантовыми системами, подверженными влиянию немарковских шумов, в том числе кубитами в современных квантовых компьютерах», — говорит Сергей Филиппов, заведующий лабораторией квантовой теории информации. Исследование поддержано грантом Российского фонда фундаментальных исследований. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 11:54
2 минуты
Илья Ведмеденко

В Сеть выложили фотографии строящегося первого опытного образца нового легкого самолета ЛМС-901. Поднять машину в небо ранее хотели в конце этого года.

Позавчера, 19:25
5 минут
Виктория Сафронова

Город Нюва предлагается построить из туннелей в глубине марсианской скалы.

6 часов назад
2 минуты
Мария Кривоченко

Об этом рассказал академик и главный ученый секретарь президиума РАН Николай Долгушкин. К 2021 году число высококлассных специалистов, решивших покинуть страну, возросло почти до 70 тысяч.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

16 апреля
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

15 апреля
14 минут
Василий Парфенов

Новое масштабное журналистское расследование собрало воедино самые вопиющие факты коррупции, махинаций с официальной статистикой и игнорирования пандемии на государственном уровне.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: