Физики разработали «полуслепой» метод описания квантовых систем
Результаты томографии квантовой системы
© Алексей Федоров.
Ученые предложили подход, который позволяет определять состояние квантовой системы, зная лишь часть данных от общего их числа, необходимого для полного описания этой системы. Разработанный метод может помочь предсказывать физические и химические процессы, связанные со свойствами квантовых систем. Помимо использования в химии и физике, предсказание квантовых процессов поможет ученым реализовать алгоритмы для самых различных отраслей — от дизайна лекарств до моделирования материалов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале PRX Quantum.
Несмотря на успех в развитии компьютерных технологий, некоторые вычислительные задачи — такие как точное моделирование физических процессов, химических молекул и реакций, или выбор оптимального варианта из большого количества возможных — остаются крайне сложными. В разы ускорить их решение в будущем позволят квантовые компьютеры, которые способны параллельно обрабатывать множество потоков информации. Пока что физики смогли получить для них лишь квантовые процессоры с ограниченным (порядка ста) числом кубитов — квантовой версией компьютерного бита. Если обычный бит можно сравнить с монеткой, которая имеет две возможных стороны — условно 0 и 1, — то кубит находится в этих двух позициях одновременно. Чтобы создать квантовый процессор, способный сохранять состояние кубитов и эффективно ими управлять, необходимо понимать физику квантовых процессов. Для лучшего понимания физических взаимодействий внутри квантового состояния, их описания и реконструкции была изобретена квантовая томография. Идея схожа с медицинской томографией, в которой для восстановления анатомической картины какой-то части тела используются разные проекции. В квантовой томографии измерение можно сделать в нескольких базисах — аналогах проекции — и точно узнать состояние квантовой системы. Однако количество требуемых вычислительных ресурсов очень быстро растет с увеличением числа объектов — частиц или кубитов.
Исследователи из Российского квантового центра (Сколково) и Национального исследовательского технологического университет МИСИС (Москва) с зарубежными коллегами из Канады, Великобритании, ОАЭ и Австрии разработали метод для описания квантового состояния, создаваемого системой из 20 кубитов. Двадцатикубитная система насчитывает 2 в 20 степени вариантов состояний квантовых частиц (то есть более миллиона). Чтобы не «просчитывать» состояние каждого элемента, авторы предложили метод, восстанавливающий квантовое состояние системы на основе неполных данных о ней.
В качестве эксперимента исследователи из Австрии сделали по тысяче измерений с 27 разных проекций — заведомо меньше, чем необходимо для полного описания состояния системы, которое исчисляется миллионами. С использованием разработанного метода по такому набору данных удалось восстановить состояние 20-кубитной системы. Это одна из наибольших квантовых систем, для которой решена задача томографии.
«Наша задача заключалась в том, чтобы, имея ограниченный набор данных, охарактеризовать состояние двадцатикубитного квантового симулятора. "Томографировать" систему из 20 кубитов — сложная задача, так как количество измерений, которое нужно для полного описания системы, растет очень быстро с увеличением размерности системы. Чтобы ускорить процесс мы использовали анзац — некоторую "догадку" о том, в каком состоянии будет находиться та или иная частица», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и лаборатории МИСиС, PhD по теоретической физике Университета Парижа-Юг.
Реконструировать информацию обо всей системе, используя лишь небольшой набор данных от всего объема, — это все равно, что найти черную кошку в темной комнате только по сведениям о том, что она, возможно, в одном из углов. Это исследование может помочь в предсказании магнетизма, квантовых фазовых перехода жидкость-пар и других физических явлений.
В дальнейшем ученые планируют исследовать возможность применения разработанных методов реконструкции в сочетании с томографией для более широкого класса систем. Метод будет полезен физикам и химикам, изучающим взаимодействие квантовых частиц, например фотонов и атомов.