Российские физики провели экспериментальную проверку «теневой томографии» — Naked Science
9 минут
ЦКТ МГУ

Российские физики провели экспериментальную проверку «теневой томографии»

4.2

Группа ученых из Центра квантовых технологий МГУ провела экспериментальную проверку использования «теневой томографии» в модельной квантовой системе переменной размерности, реализуемой с пространственными состояниями фотонов. Идеи теневой томографии могут лечь в основу новых, менее затратных методов тестирования и поиска ошибок, и найти прикладное применение при разработке новых поколений квантовых процессоров.

Российские физики провели экспериментальную проверку «теневой томографии» / ©Getty images

Статья с результатами эксперимента опубликована в журнале PRX Quantum. Квантовой томографией называют процедуру, которая позволяет ученым извлекать описание квантового состояния из экспериментальных данных. В идеале томография должна предоставлять максимально полное описание, как это задано матрицей плотности. Однако с ростом числа кубитов в системе число требуемых измерений растет экспоненциально, что делает проведение измерений невозможным.

Для решения этой проблемы в 2017 году был предложен альтернативный подход, названный «теневой томографией». Он позволяет извлечь многие (хотя и не все) особенности состояния из ограниченного числа измерений, избегая тем самым так называемого «проклятия размерности» (подробнее с обоснованием метода теневой томографии можно ознакомиться, например, в работе Скотта Ааронсона (Scott Aaronson) Shadow Tomography of Quantum States).

В прошлом году Синь-Юань Хуанг (Hsin-Yuan Huang), Ричард Куенг (Richard Kueng) и Джон Прескилл (John Preskill) предложили новый вариант метода, который значительно упростил реализацию необходимых измерений и сделал теневую томографию доступной с экспериментальной точки зрения (H.-Y. Huang, R. Kueng, and J. Preskill, Predicting many properties of a quantum system from very few measurements). Именно этот метод был экспериментально реализован физиками из ЦКТ МГУ.

Для эксперимента была выбрана квантово-оптическая система. Ученые ЦКТ разработали способ кодирования системы кубитов в пространственную форму светового пучка и смоделировали протокол измерений, необходимый для предсказания различных свойств квантового состояния с использованием классических теней («классической тенью» называется собственно описание квантового состояния с использованием очень небольшого числа измерений этого состояния).

Экспериментальная проверка протокола в реальных условиях неидеальных измерений и инструментальных погрешностей показала, что оценка, полученная из классической тени, является несмещенной и обеспечивает правильные математические ожидания даже тогда, когда количество измерений, используемых для оценки, значительно меньше, чем требуется для полной реконструкции состояния. Таким образом, протокол действительно может быть использован для обработки реальных экспериментальных данных.

«Демонстрация экспериментальной полезности метода теневой томографии является важным шагом на пути к его широкому признанию сообществом в качестве важного способа, – говорит один из авторов статьи, руководитель направления квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ Станислав Страупе.

– Основная идея проста и элегантна, она не требует какой-либо сложной обработки данных, поэтому мы считаем эту технику важным дополнением к инструментарию, используемому в экспериментах в области квантовых технологий. Это становится особенно важным с появлением многокубитных квантовых систем, которые, как правило, постоянно усложняются».

Однако, как отмечают ученые, теневая томография является по своей сути методом ограниченным, так как она оценивает не само состояние, а только некоторые его свойства. В случае системы высокой размерности такой подход может быть методом выбора для экспериментатора, заинтересованного в оценке определенного набора свойств состояния. Но если требуется больше информации о состоянии системы, например, для понимания источников декогеренции в системе, другие методы подходят лучше, если они все еще осуществимы с точки зрения требуемого количества измерений.

Напомним, что в Центре квантовых технологий МГУ ведутся работы по созданию многокубитного квантового симулятора на базе двух платформ – одиночных холодных атомов в оптических ловушках и одиночных фотонов в линейно-оптических сетях. При постоянном увеличении числа используемых кубитов проблема тестирования квантовых регистров встаёт особенно остро. Идеи теневой томографии могут лечь в основу новых, менее затратных методов тестирования и поиска ошибок, и найти прикладное применение при разработке новых поколений квантовых процессоров.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Центр квантовых технологий физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова создан в 2018 году в рамках Национальной Технологической Инициативы. В рамках центра ведутся исследования в области волоконной и атмосферной квантовой криптографии, физики холодных атомов, квантовой оптики, нанофотоники и нелинейной оптики, а также криоэлектроники. Большое внимание при работе центра уделяется образовательным программам для слушателей самого разного уровня.
10 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.

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

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.

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: