• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
9 февраля
НИУ ВШЭ
2 527

Разработан алгоритм для точного вычисления квантовых систем

4.9

Исследователи Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Германии и Великобритании предложили алгоритм автоматического сжатия произвольных сред (Automated Compression of Arbitrary Environments — ACE). Он дает качественно новые возможности точных вычислений для исследования динамики квантовых систем. По мнению ученых, новый метод поможет в проектировании квантовых компьютеров и новых систем связи.

Разработан алгоритм для точного вычисления квантовых систем / ©Пресс-служба НИУ ВШЭ

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics. В обычных компьютерах за передачу информации отвечают биты — нули и единицы, в квантовых компьютерах их заменяют квантовые биты (кубиты). У кубитов, как и битов, два основных значения (состояния) — 0 и 1. Однако, в отличие от бита, кубит означает, что система находится в обоих состояниях одновременно. Это выглядит необъяснимым парадоксом, но может быть проиллюстрировано простой аналогией с монетой. Классический бит 0 (1) — это монета, лежащая орлом либо решкой вверх.

А кубит — это вращающаяся монета, у нее тоже есть орел и решка, но это можно узнать только после остановки вращения, то есть после разрушения первоначального состояния монеты. Остановка вращения — аналог квантового измерения, в результате которого выбирается одно из двух состояний кубита. Для квантовых вычислений нужно, чтобы разные кубиты были связаны: например, состояния 0 (1) одного кубита были однозначно связаны с состояниями 0 (1) другого. Эта связь между состояниями называется квантовой запутанностью.

Главная проблема квантовых вычислений на практике возникает из-за того, что кубиты окружены средой и взаимодействуют с нею. В процессе взаимодействия квантовая запутанность кубитов исчезает — они распутываются. Понять это можно, используя аналогию с двумя монетами. Если две одинаковые монетки одновременно запустить вращаться, а потом одновременно остановить через небольшое время, то могут выпасть одинаковые результаты, например «решка — решка» или «орел — орел». Эта синхронность между вращением монеток — аналог квантовой запутанности. Однако если дать монеткам вращаться подольше, то их движение будет постепенно терять синхронность.

При остановке решка (орел) одной монеты уже не будет выпадать синхронно с решкой (орлом) другой. Потеря синхронности происходит вследствие того, что при вращении монеты теряют энергию из-за трения со столом, и происходит это по-разному. В квантовом мире трение (потеря энергии из-за взаимодействия со средой) со временем приводит к потере синхронности, или квантовой когерентности кубитов. Происходит расфазировка кубитов: фаза квантового состояния (угол поворота монеты) меняется во времени почти случайным образом, что приводит к потере квантовой информации, и квантовые вычисления становятся невозможными.

Основная задача, над которой сегодня работают многие исследователи, — сохранить когерентность квантового состояния как можно дольше, а для этого необходимо уметь как можно точнее описывать его эволюцию во времени (квантовую динамику). Ученые из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ совместно с коллегами из Германии и Великобритании предложили свое решение для изучения взаимодействия кубита со средой и изменения его квантового состояния со временем — алгоритм «Автоматическое сжатие произвольных сред».

«Сложность расчета квантовой динамики состоит в том, что среда обладает практически бесконечным числом колебательных мод — степеней свободы. Фактически нужно рассчитать динамику одной квантовой системы в окружении триллионов других. Прямой расчет тут невозможен, никакой компьютер с этим не справится. Однако далеко не все изменения среды одинаково важны. Часть среды, которая находится далеко от нашей квантовой системы, не сильно влияет на ее динамику. Это разделение на «важные» и «неважные» степени свободы среды и лежит в основе нашего метода», — комментирует один из авторов статьи, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ Алексей Вагов.

В трактовке квантовой механики, предложенной знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом, для расчета квантового состояния системы надо вычислить сумму всех возможных путей, по которым это состояние может быть достигнуто. Согласно этому подходу, квантовая частица (система) может двигаться вперед или назад, вправо или влево, даже вперед во времени или назад. Чтобы вычислить конечное состояние частицы, надо сложить квантовые вероятности всех подобных траекторий.

«Проблема в том, что таких путей слишком много, даже если частица одна, а что уж говорить — для всей среды. Наш алгоритм предлагает метод, как учитывать только такие траектории, которые вносят вклад в динамику кубита, отбросив те, вклад которых в эту динамику пренебрежимо мал, — поясняет Алексей Вагов. — В нашем методе эволюция кубита и среды — это произведение тензоров — матриц или таблиц чисел, представляющих состояние всей системы в разные моменты времени. А дальше мы отбираем только те части тензоров, которые важны для динамики системы».

Ученые подчеркивают, что алгоритм «Автоматическое сжатие произвольных сред» реализован в виде компьютерного кода, который находится в открытом доступе. По мнению авторов статьи, он открывает качественно новые возможности точных вычислений для исследования динамики большого количества квантовых систем. С помощью него, например, можно рассчитать, как быстро распутываются пары запутанных фотонов в линиях передачи квантовой телефонии, на какое расстояние можно «телепортировать» квантовую частицу или за какое время происходит расфазировка кубитов квантового компьютера.  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — одно из крупнейших и самых востребованных высших учебных заведений России, стран СНГ и государств Восточной Европы. В НИУ ВШЭ представлены все уровни образовательной подготовки (от лицея для школьников до аспирантуры и MBA) по широкому спектру направлений в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также творческих специальностей. Научные подразделения ВШЭ — институты, центры, лаборатории, возглавляемые ведущими российскими и зарубежными учеными, ориентированы как на фундаментальные исследования, так и на прикладные разработки по заказам федеральных и региональных органов власти, министерств и ведомств, российских и зарубежных компаний. Высшая школа экономики стабильно занимает высокие места в предметных рейтингах Times Higher Education (THE) и QS, а также является единственным российским университетом в топ-50 рейтингов молодых университетов сразу двух агентств.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 13:29
ТГУ

Водоемы содержат значительную часть углерода — главной составляющей парниковых газов. Ученые Томского государственного университета исследовали малые реки Томской области и выяснили, что концентрация растворенного и взвешенного углерода в них больше, чем в таких крупных водных артериях России, как Обь и Лена. Поэтому вклад малых рек в глобальную трансформацию климата может быть гораздо существеннее, чем считалось ранее.

2 часа назад
Анна Новиковская

Хотя смерть члена семьи негативно сказывается на людях обоих полов, датские исследователи утверждают, что вдовцы справляются с потерей хуже, чем вдовы.

Позавчера, 08:01
Мария Азарова

Центры по контролю и профилактике заболеваний США вместе с Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, а также государственными и местными департаментами здравоохранения расследуют случаи бактериальной инфекции, связанные с использованием глазных капель.

19 марта
Анна Новиковская

Многие люди спят в обнимку со своими кошками или собаками, однако медики выяснили, что подобные привычки ведут к плохому сну и беспокойным ночам.

19 марта
Александр Березин

После банкротства 16-го и 22-го по размерам банков в США над миром снова замаячил призрак «Леман Бразерс», то есть такого банкротства американского банка, за которым может последовать рецессия по всей планете. В то же время в нашей стране с крупными банками такого за период СВО не происходило. Увы, в силу особенностей мышления субъектов российской экономики, это совсем не значит, что американский кризис через несколько месяцев не коснется и нас. При каких условиях это может случиться?

21 марта
Анна Новиковская

Многие владельцы кошек сталкиваются с проблемой, когда их любимцы ходят мимо лотка или пачкают другие места в доме. Финские исследователи выяснили, что можно исправить в обстановке, чтобы кошка перестала так делать.

10 марта
Анна Новиковская

Многие мужчины и некоторые женщины время от времени смотрят порнографические ролики или фотографии. Но исследователи из Университета Бригама Янга утверждают: избегание порно жизненно важно для развития здоровых и долгосрочных романтических отношений.

4 марта
Анна Новиковская

Уже пять тысяч лет назад жители Южной Европы ездили верхом на лошадях, и археологи обнаружили доказательства этой привычки, изучив специфические патологии человеческих скелетов.

3 марта
Алиса Гаджиева

Историки, археологи и расхитители гробниц не первое тысячелетие исследуют Великую пирамиду Гизы, но в ней до сих пор обнаруживают неизвестные детали.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: