Машинное обучение используют для решения проблем квантовой оптики — Naked Science
8 минут
Сколтех

Машинное обучение используют для решения проблем квантовой оптики

4.1

Ученые Сколтеха предложили использовать нейросетевые алгоритмы для квантовой томографии — для восстановления исходного состояния по измеренным данным.

Машинное обучение используют для решения проблем квантовой оптики / ©enginclub.ru

Методы машинного обучения, ставшие в последнее время универсальным инструментом интеллектуального анализа данных, продолжают активную экспансию во все новые области. Изначально основанные на распознавании изображений, эти методы позволяют эффективно уменьшать размерность многомерных массивов данных, что делает методику крайне привлекательной в контексте решения задач классической и квантовой физики многих тел. В своей недавней работе ученые Сколтеха предложили использовать нейросетевые алгоритмы для квантовой томографии, иными словами для решения обратной задачи, то есть задачи о восстановлении исходного состояния по измеренным данным.

Несовершенство измерительной аппаратуры, а также случайные ошибки, неизменно сопутствующие любому акту измерения, делают квантовую томографию чрезвычайно сложной процедурой даже тогда, когда нам полностью известны модель, описывающая работу измерительного устройства, и то, как было приготовлено входное состояние. В тесном сотрудничестве с коллегами из Центра квантовых технологий МГУ исследователи из Сколтеха продемонстрировали, что использование нейросетевых алгоритмов существенно улучшает точность реконструкции квантового состояния. Результаты исследований опубликованы в одном из наиболее авторитетных научных изданий — журнале npj Quantum Information, входящем в семейство Nature.

Аспирант Сколтеха Адриано Макароне Палмьери, ведущий автор исследования, описывает развитый в работе подход, как новую методологию, позволяющую получить более глубокое понимание. Прежде чем влиться в коллектив Сколтеха, Адриано изучал физику и получил степень магистра в Болонском университете, широко известном не только в Италии, но и далеко за ее пределами. К совместной работе над проектом Адриано привлек своего коллегу из Милана Федерико Бианки, работающего сейчас в Университете Боккони.

Федерико, получивший первоклассное образование и степень доктора в области машинного обучения и систем искусственного интеллекта в Миланском университете Бикокка, характеризует полученные результаты как убедительный пример научного открытия в области квантовой физики, полученного на основе интеллектуального анализа экспериментальных данных. Несмотря на то, что до того, как присоединиться к проекту, Федерико не сталкивался с задачами квантовой физики, его опыт программиста-исследователя позволил иначе взглянуть на имеющиеся экспериментальные данные. Адриано и Федерико тесно взаимодействовали с другими сотрудниками научной группы Deep Quantum Labs Сколтеха Джейкоба Биамонте, включая Дмитрия Юдина.

Он описывает результаты проекта как первый важный шаг к практическому использованию нейросетевых алгоритмов в экспериментальных задачах квантовой томографии с учетом погрешностей, неизбежно сопровождающих любой измерительный процесс, и зашумленности полученных данных. Дмитрий добавляет, что квантовая томография используется повсеместно для калибровки и тестирования работы квантовых устройств.

Исследовательская работа в этом направлении была бы невозможна без поддержки со стороны коллег-экспериментаторов из Центра квантовых технологий МГУ, а именно аспиранта Егора Ковлакова и его научных руководителей Станислава Страупе и Сергея Кулика. На протяжении последних лет они активно исследуют различные методы квантовой томографии. Станислав отмечает, что к их удивлению глубокое обучение превзошло доступные на сегодняшний день методы в реальном эксперименте. Научная группа из МГУ занималась подготовкой и измерением квантовых состояний высокой размерности на экспериментальной платформе, основанной на пространственных состояниях фотонов.

Экспериментальные ошибки в подготовке состояний на входе и измерениях неизбежно сказываются на результатах, и ситуация становится хуже с увеличением размерности. В то же время дальнейшее увеличение размерности доступных квантовых состояний чрезвычайно важно для квантовых протоколов связи и особенно для квантовых вычислений — вот, где полезны методы машинного обучения.

Исследователи Сколтеха  обучили глубокую нейронную сеть проводить анализ зашумленных экспериментальных данных и эффективно обучили шумоподавлению, значительно улучшая качество восстановления квантового состояния. 
Обнадеживающие результаты, полученные научными коллективами Сколтеха и МГУ, позволяет им с высокой уверенностью заявить, что методы машинного обучения будут играть важную роль в будущем развитии квантовых технологий. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
11 часов назад
6 минут
Василий Парфенов

Вопрос разработки способов запасания электричества в XXI веке встал невероятно остро — ученые со всего мира ломают голову над тем, как сделать батареи более емкими. Армейская исследовательская лаборатория США добилась успехов в создании тончайших антисегнетоэлектрических пленок из гафната свинца. Это сложное в получении соединение обладает большим потенциалом к применению в аккумуляторах и электрических вентилях.

Вчера, 18:35
4 минуты
Ольга Иванова

NASA смоделировало ситуацию, при которой нашей планете угрожает крупное небесное тело, и выяснило, как много времени понадобится землянам, чтобы предотвратить катастрофу. Спойлер: мы все умрем.

Вчера, 12:00
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

11 мая
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

12 мая
7 минут
Мария Азарова

Исследователи впервые показали присутствие коронавируса в ткани полового члена спустя как минимум полгода с момента заражения. Судя по всему, распространенная у пациентов с Covid-19 дисфункция эндотелиальных клеток может приводить и к развитию импотенции.

11 мая
8 минут
Мария Азарова

Блокирование рецептора, который помогает сохранять энергию в условиях голода, назвали ключом к более безопасным профилактике и лечению ожирения, вызванного неправильным образом жизни.

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.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[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: