Πρωτοποριακός αλγόριθμος για ακριβή υπολογισμό Qubit

Ο πρακτικός κβαντικός υπολογισμός είναι ένα ακόμη βήμα πιο κοντά.

Οι ερευνητές εισήγαγαν έναν νέο αλγόριθμο που ονομάζεται Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) που έχει σχεδιαστεί για να μελετά τις αλληλεπιδράσεις των qubits με το περιβάλλον τους και τις επακόλουθες αλλαγές στην κβαντική τους κατάσταση. Απλοποιώντας τον υπολογισμό της κβαντικής δυναμικής, αυτός ο αλγόριθμος, που βασίζεται στην ερμηνεία Feynman της κβαντικής μηχανικής, προσφέρει νέους τρόπους κατανόησης και αξιοποίησης των κβαντικών συστημάτων. Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν τις εξελίξεις στην κβαντική τηλεφωνία και τους υπολογιστές, παρέχοντας πιο ακριβείς προβλέψεις σχετικά με την κβαντική συνοχή και τη διαπλοκή.

Οι συμβατικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits, που αντιπροσωπεύονται με μηδενικά και ένα, για τη μετάδοση πληροφοριών, ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικά bit (qubits). Παρόμοια με τα bit, τα qubits έχουν δύο κύριες καταστάσεις ή τιμές: 0 και 1. Ωστόσο, σε αντίθεση με ένα bit, ένα qubit μπορεί να υπάρχει και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.

Αν και αυτό μπορεί να φαίνεται σαν μια συγκλονιστική ειρωνεία, μπορεί να εξηγηθεί με μια απλή αναλογία με ένα νόμισμα. Ένα κλασικό bit μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα τεντωμένο νόμισμα με ένα κεφάλι ή ουρές (ένα ή μηδέν) στραμμένο προς τα πάνω, ενώ ένα qubit μπορεί να θεωρηθεί ως ένα περιστρεφόμενο νόμισμα, το οποίο έχει επίσης κεφάλια και ουρές, αλλά είτε είναι κεφάλια είτε ουρές μπορεί να προσδιοριστεί μόλις σταματήσει να περιστρέφεται, δηλαδή χάσει την αρχική του κατάσταση.

Όταν ένα περιστρεφόμενο νόμισμα σταματά, μπορεί να χρησιμεύσει ως αναλογία για μια κβαντική αναλογία, στην οποία προσδιορίζεται μία από τις δύο καταστάσεις ενός qubit. σε Ποσοτικές στατιστικές, διαφορετικά qubit πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους, για παράδειγμα, οι καταστάσεις 0(1) ενός qubit πρέπει να συσχετίζονται μοναδικά με τις καταστάσεις 0(1) ενός άλλου qubit. Όταν οι κβαντικές καταστάσεις δύο ή περισσότερων αντικειμένων αλληλοσυνδέονται, ονομάζεται κβαντική εμπλοκή.

Πρόκληση κβαντικής διαπλοκής

Η κύρια δυσκολία με τον κβαντικό υπολογισμό είναι ότι τα qubits περιβάλλονται από ένα περιβάλλον και αλληλεπιδρούν με αυτό. Αυτή η αλληλεπίδραση μπορεί να προκαλέσει την επιδείνωση της κβαντικής εμπλοκής των qubits, προκαλώντας τον διαχωρισμό τους μεταξύ τους.

Η ομοιότητα δύο νομισμάτων μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση αυτής της έννοιας. Εάν δύο πανομοιότυπα νομίσματα περιστρέφονται ταυτόχρονα και στη συνέχεια απενεργοποιούνται αμέσως μετά, μπορεί να καταλήξουν με την ίδια όψη προς τα πάνω, είτε με κεφάλι είτε ουρά. Αυτός ο συγχρονισμός μεταξύ νομισμάτων μπορεί να συγκριθεί με την κβαντική εμπλοκή. Ωστόσο, εάν τα νομίσματα συνεχίσουν να περιστρέφονται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, θα χάσουν τελικά τον συγχρονισμό και δεν θα καταλήγουν πλέον με την ίδια πλευρά – κεφάλι ή ουρά – στραμμένη προς τα πάνω.

Η απώλεια συγχρονισμού συμβαίνει επειδή τα περιστρεφόμενα νομίσματα χάνουν σταδιακά ενέργεια, κυρίως λόγω τριβής με το τραπέζι, και κάθε νόμισμα το κάνει αυτό με μοναδικό τρόπο. Στο κβαντικό βασίλειο, η τριβή ή η απώλεια ενέργειας λόγω αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον, οδηγεί τελικά σε κβαντική αποσυνοχή, που σημαίνει απώλεια συγχρονισμού μεταξύ των qubits. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αποφασοποίηση των qubits, κατά την οποία η φάση της κβαντικής κατάστασης (που αντιπροσωπεύεται από τη γωνία περιστροφής του νομίσματος) αλλάζει τυχαία με την πάροδο του χρόνου, προκαλώντας απώλεια κβαντικών πληροφοριών και καθιστώντας αδύνατο τον κβαντικό υπολογισμό.

Η αποτελεσματική αναπαράσταση καθορίζεται εξ ολοκλήρου αυτόματα και δεν βασίζεται σε προσεγγίσεις ή προκατασκευασμένες παραδοχές. Πίστωση: Alexei Vagov

Κβαντική συνοχή και δυναμική

Η κύρια πρόκληση που αντιμετωπίζουν πολλοί ερευνητές σήμερα είναι η διατήρηση της κβαντικής συνοχής για μεγαλύτερες περιόδους. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί περιγράφοντας με ακρίβεια την εξέλιξη μιας κβαντικής κατάστασης με την πάροδο του χρόνου, γνωστή και ως κβαντική δυναμική.

Επιστήμονες από το Κέντρο Κβαντικών Μεταϋλικών MIEM HSE, σε συνεργασία με συναδέλφους από τη Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο, πρότειναν έναν αλγόριθμο που ονομάζεται Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) ως λύση για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης των qubits με το περιβάλλον τους και τις αλλαγές που προκύπτουν. στην κβαντική τους κατάσταση με την πάροδο του χρόνου.

Μια εικόνα για την κβαντική δυναμική

“Ο σχεδόν άπειρος αριθμός τρόπων δόνησης ή βαθμών ελευθερίας στο περιβάλλον καθιστά ιδιαίτερα δύσκολο τον υπολογισμό της κβαντικής δυναμικής. Πράγματι, αυτή η εργασία περιλαμβάνει τον υπολογισμό της δυναμικής ενός μεμονωμένου κβαντικού συστήματος ενώ περιβάλλεται από τρισεκατομμύρια άλλα. Ο άμεσος υπολογισμός είναι αδύνατος σε αυτό περίπτωση, καθώς κανένας υπολογιστής δεν μπορεί να το αντιμετωπίσει.

Ωστόσο, δεν έχουν όλες οι αλλαγές στο περιβάλλον την ίδια σημασία: αυτές που συμβαίνουν σε επαρκή απόσταση από το κβαντικό μας σύστημα δεν είναι σε θέση να επηρεάσουν τη δυναμική του με σημαντικούς τρόπους. Η διαίρεση σε «σχετικούς» και «άσχετους» περιβαλλοντικούς βαθμούς ελευθερίας βρίσκεται στη βάση της μεθόδου μας», λέει ο Alexei Vagof, συν-συγγραφέας της εργασίας και διευθυντής του Κέντρου MIEM HSE για Ποσοτικά Μεταϋλικά.

Η ερμηνεία Feynman και ο αλγόριθμος ACE

Σύμφωνα με την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής που προτείνεται από τον διάσημο Αμερικανό φυσικό Richard Feynman, ο υπολογισμός της κβαντικής κατάστασης ενός συστήματος περιλαμβάνει τον υπολογισμό του αθροίσματος όλων των πιθανών τρόπων με τους οποίους μπορεί να επιτευχθεί η κατάσταση. Αυτή η εξήγηση προϋποθέτει ότι ένα κβαντικό σωματίδιο (το σύστημα) μπορεί να κινηθεί προς όλες τις πιθανές κατευθύνσεις, συμπεριλαμβανομένων προς τα εμπρός ή προς τα πίσω, δεξιά ή αριστερά, ακόμη και πίσω στο χρόνο. Οι κβαντικές πιθανότητες όλων αυτών των τροχιών πρέπει να προστεθούν για να υπολογιστεί η τελική κατάσταση του σωματιδίου.

Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν πολλές πιθανές τροχιές ακόμη και για ένα μόνο σωματίδιο, για να μην αναφέρουμε ολόκληρο το περιβάλλον. Ο αλγόριθμός μας καθιστά δυνατή την εξέταση μόνο μονοπατιών που συμβάλλουν σημαντικά στη δυναμική του qubit ενώ εξαλείφει εκείνα που είναι αμελητέα. Στη μέθοδό μας, η εξέλιξη του qubit και το περιβάλλον του συλλαμβάνονται από τανυστές, οι οποίοι είναι πίνακες ή πίνακες αριθμών που περιγράφουν την κατάσταση ολόκληρου του συστήματος σε διαφορετικά χρονικά σημεία. Στη συνέχεια επιλέγουμε μόνο εκείνα τα μέρη των τανυστών που σχετίζονται με τη δυναμική του συστήματος», εξηγεί ο Alexey Vagov.

Συμπέρασμα: Επιπτώσεις του αλγορίθμου ACE

Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι ο αυτοματοποιημένος αλγόριθμος συμπίεσης για αυθαίρετα περιβάλλοντα είναι δημόσια διαθέσιμος και υλοποιείται ως κώδικας υπολογιστή. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, ανοίγει εντελώς νέες δυνατότητες για τον ακριβή υπολογισμό της δυναμικής πολλαπλών κβαντικών συστημάτων. Συγκεκριμένα, αυτή η μέθοδος καθιστά δυνατή την εκτίμηση του χρόνου μέχρι την εμπλοκή Φωτόνιο Τα ζεύγη στις γραμμές κβαντικής τηλεφωνίας θα ξεμπερδέψουν, η απόσταση που μπορεί να διανύσει ένα κβαντικό σωματίδιο σε απόσταση ή πόσος χρόνος μπορεί να χρειαστεί για να χάσουν τη συνοχή τα qubits ενός κβαντικού υπολογιστή.

Αναφορά: «Προομοίωση ανοιχτών κβαντικών συστημάτων με αυτοματοποιημένη συμπίεση τυχαίων περιβαλλόντων» των Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling και Eric M. Guger, 24 Μαρτίου 2022, Διαθέσιμο εδώ. φυσική της φύσης.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9