• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
09.02.2023
НИУ ВШЭ
2 663

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 / Автор: Дмитрий Жуков

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» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

Вчера, 10:21
ПНИПУ

Эксперты ПНИПУ рассказали, когда чай появился в России, в чем различие его сортов и какой самый полезный, чем «чайный» кофеин отличается от «кофейного», почему напиток с молоком эффективнее в профилактике рака, чем опасен заваренный с вчера настой и как злоупотребление чаем отразится на состоянии зубов.

Вчера, 20:00
Андрей

Геологи решили изучить, как менялась река Нил в эпоху голоцена и как эти изменения связаны с древним климатом. Для этого ученые пробурили 81 скважину возле города Луксор и по извлеченным кернам проанализировали осадконакопление реки. Вероятно, трансформация Нила влияла на жизнь древнеегипетских обществ.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

Вчера, 07:08
Мария Азарова

Ученые выявили генетическую мутацию, ответственную за напоминающий лакричные конфеты «салмиак» окрас шерсти, который недавно появился у домашних кошек в Финляндии.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
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: