Российские физики провели экспериментальную проверку «теневой томографии» — Naked Science
18 января
ЦКТ МГУ 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.
Вчера, 06:30
Мария Азарова

Ученые проверили содержание побочных продуктов дезинфекции в чае, который заваривали водопроводной или наночистой водой с хлором. Уровни этих соединений в напитке были ниже, чем в самой воде, однако большинство из них оказались неизвестны исследователям — как и их воздействие на здоровье человека.

Вчера, 14:35
Алиса Гаджиева

Ученые из Института археологии и этнографии Сибирского отделения РАН обнаружили городище Шилкинской системы.

Позавчера, 15:14
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

Вчера, 06:30
Мария Азарова

Ученые проверили содержание побочных продуктов дезинфекции в чае, который заваривали водопроводной или наночистой водой с хлором. Уровни этих соединений в напитке были ниже, чем в самой воде, однако большинство из них оказались неизвестны исследователям — как и их воздействие на здоровье человека.

Позавчера, 15:14
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

9 сентября
Алиса Гаджиева

Необычный артефакт обнаружили в одном из пунктов сбора вторсырья в Красноярском крае.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: