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.
ЦКТ МГУ
1 статей
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
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

Вчера, 19:01
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

10 часов назад
5 минут
Мария Кривоченко

Ученые создали компьютерную сеть, которая имитирует человеческий мозг. Благодаря ей удалось выяснить, как человек обрабатывает движущиеся изображения, и понять, как появляются оптические иллюзии.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

22 февраля
5 минут
Илья Ведмеденко

Новое видео демонстрирует использование новейшего российского разведывательно-ударного БПЛА «Орион» на территории Сирии. Ранее этот комплекс приняли на вооружение.

27 января
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

[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: