Цифровой двойник поможет управлять квантовыми системами

Ученые создали цифровую модель квантовой системы, которая позволила найти оптимальный алгоритм для управления кубитами — рабочими элементами квантовых компьютеров. С помощью цифрового двойника авторам удалось направить работу модельной квантовой системы по оптимальному — с наименьшим количеством требуемых вычислений — пути. Это поможет в будущем разработать протоколы управления для квантовых компьютеров. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Research.

Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают информацию с помощью систем, элементы которых можно представить в виде кубитов — квантовых версий компьютерного бита. Кубиты существуют сразу в двух состояниях — 0 и 1, — принимая несколько состояний сразу. Такое свойство позволяет объединить большое количество квантовых объектов и проводить с ними вычисления, находящиеся за пределами возможностей обычных компьютеров. Например, именно это свойство позволяет квантовым компьютерам параллельно обрабатывать множество потоков информации, а потому ускорить решение сложных вычислительных задач. Оно же определяет проблему таких компьютеров — чем больше кубитов в системе, тем больше требуется вычислительных ресурсов для оптимального управления ими. Поскольку работу квантового компьютера с большим числом кубитов невозможно смоделировать на классическом компьютере, нужно придумать протоколы управления квантовой системой, которые не требовали бы полной симуляции.

Ученые из ООО «Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий» (Сколково) и Национального исследовательского технологического университета МИСИС (Москва) разработали «цифровой двойник» квантовой системы, который помогает понять, как ею эффективно управлять. Для того, чтобы сконструировать цифровой двойник, исследователи построили упрощенную модель квантовой системы. Они сделали это с помощью тензоров — математических объектов, применяемых в квантовой физике для описания совокупности квантовых состояний всех кубитов системы. Если в системе много объектов, тензорное выражение будет обладать большой размерностью, и работать с ним будет трудно, так как придется хранить в памяти и производить операции со сложным выражением. Однако тензор, описывающий квантовую систему, можно разбить на совокупность тензоров меньшей размерности. В результате таких «разбиений» сложного на простое формируется тензорная сеть. Тензорные сети позволяют эффективно имитировать квантовые системы, передавая их важнейшие свойства, в том числе согласованность объектов в процессе работы. Таким образом, тензорные сети создают цифровой двойник квантового компьютера — его модель, с которой можно работать на классическом компьютере.

Исследователи использовали цифровой двойник на основе тензорных сетей, чтобы найти оптимальное управляющее воздействие на квантовую систему. Цифровой двойник удобен для этого, поскольку помогает снизить необходимое количество ресурсов для поиска наилучшего решения: вместо работы с системами, у которых нужно учитывать несколько миллионов состояний, достаточно компактных представлений с несколькими сотнями параметров. Предлагаемые протоколы управления, например, могут позволить скорректировать часть ошибок, обусловленных взаимодействием квантовой системы с внешним миром, тем самым «навести резкость» на квантовые шумовые искажения.

Ученые с помощью цифрового двойника подобрали оптимальный протокол управления квантовой системой, который «программирует» передачу информации внутри квантовой цепочки частиц: от первой частицы до последней.

«В качестве модельной системы мы рассматривали цепочку спинов — это очень распространенная система в квантовых технологиях, на ее базе часто делают квантовые симуляторы — узкоспециализированные квантовые компьютеры для моделирования, например, химических реакций и взаимодействия частиц в кристаллической решетке. Мы решали задачу по распространению информации от одного конца цепочки к другому — это соответствует некоторому модельному эксперименту по передаче квантовой информации в рамках системы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и директор Института физики и квантовой инженерии Университета «МИСИС», PhD по теоретической физике Университета Парижа-Юг.