Новый алгоритм поможет исследовать квантовые системы
Российские ученые совместно с зарубежными коллегами предложили алгоритм, который поможет исследовать, как кубит взаимодействует со средой и как его квантовое состояние меняется со временем. Он называется «Алгоритм автоматического сжатия произвольных сред» (Automated Compression of Arbitrary Environments — ACE). Новый метод поможет проектировать квантовые компьютеры, которые будут проводить более точные вычисления, и даже новые системы связи. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.
В обычных компьютерах информацию передают биты — нули и единицы. А вот в современных квантовых компьютерах за это отвечают кубиты (квартовые биты), которые тоже имеют два значения, но при этом кубиты означают, что система находится в обоих состояниях. Звучит непонятно, но на самом деле все просто: если бит — это положение монетки орлом или решкой вверх, то кубит — это вращающаяся монета, у которой уже есть орел и решка, но это можно будет узнать только после того, как она остановится. Эта остановка — аналог квантового измерения, в результате которого выбирается одно из двух состояний кубита. При этом, чтобы проводить квантовые вычисления, нужно, чтобы разные кубиты были связаны: например, состояния одного кубита были однозначно связаны с состояниями другого. Это называется квантовой запутанностью.
Основная проблема квантовых вычислений заключается в том, что кубиты окружены средой, с которой взаимодействуют. Из-за этого кубиты «распутываются». То есть если две монеты одновременно запустить, то они будут крутиться вместе и одновременно упадут — это квантовая запутанность. А если дать монеткам вращаться подольше, то их движение будет постепенно терять синхронность. Это происходит из-за трения со столом. Точно также в квантовом мире трение приводит к потере синхронности. Кубиты теперь имеют разную фазу квантового состояния (угол поворота монеты). Из-за этого теряется квантовая информация и вычисления становятся невозможными.
Именно над тем, чтобы исправить это, и работают исследователи. Чтобы сохранить «синхронность» кубитов, нужно уметь как можно точнее описывать его эволюцию во времени (квантовую динамику).
Ученые из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ совместно с коллегами из Германии и Великобритании нашли решение. Им удалось исследовать, как кубит взаимодействует со средой и как его квантовое состояние меняется со временем. Для этого они создали 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.
Чтобы узнать квантовое состояние системы, надо вычислить сумму всех возможных путей, по которым это состояние может быть достигнуто. То есть квантовая частица может двигаться вперед или назад, вправо или влево, даже вперед во времени или назад. Чтобы узнать, в каком состоянии будет частица, нужно 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. 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», — пояснил Алексей Вагов.
Ученые обратили внимание, что компьютерный код этого алгоритма находится в открытом доступе. Благодаря ему открываются новые возможности точных вычислений для исследования динамики большого количества квантовых систем. Например, можно узнать, 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.