Doğru Qubit hesaplaması için öncü algoritma

Pratik kuantum hesaplama bir adım daha yaklaşıyor.

Araştırmacılar, kübitlerin çevreleriyle olan etkileşimlerini ve kuantum durumlarındaki müteakip değişiklikleri incelemek için tasarlanmış Rastgele Ortamların Otomatik Sıkıştırılması (ACE) adlı yeni bir algoritma tanıttı. Feynman’ın kuantum mekaniği yorumuna dayanan bu algoritma, kuantum dinamiklerinin hesaplanmasını basitleştirerek, kuantum sistemlerini anlamanın ve bunlardan yararlanmanın yeni yollarını sunar. Potansiyel uygulamalar, kuantum tutarlılığı ve dolaşıklığı hakkında daha doğru tahminler sağlayan kuantum telefon ve bilgi işlemdeki ilerlemeleri içerir.

Geleneksel bilgisayarlar, bilgi iletmek için sıfırlar ve birlerle temsil edilen kübitleri kullanırken, kuantum bilgisayarlar bunun yerine kuantum bitlerini (kübitler) kullanır. Bitlere benzer şekilde, kübitlerin iki ana durumu veya değeri vardır: 0 ve 1. Ancak, bir bitten farklı olarak, bir kübit aynı anda her iki durumda da bulunabilir.

Bu şaşırtıcı bir ironi gibi görünse de, madeni para ile basit bir analoji ile açıklanabilir. Klasik bir bit, başı veya yazıları (bir veya sıfır) yukarı bakacak şekilde uzatılmış bir madeni para olarak temsil edilebilirken, bir kübit, aynı zamanda turaları ve yazıları olan dönen bir madeni para olarak düşünülebilir, ancak yazı veya tura olması fark etmez. dönmeyi durdurduğu, yani orijinal durumunu kaybettiği anda belirlenecektir.

Dönen bir madeni para durduğunda, bir kübitin iki durumundan birinin belirlendiği bir kuantum analojisi için bir analoji görevi görebilir. içinde Nicel istatistikler, farklı kübitler birbirine bağlanmalıdır, örneğin, bir kübitin 0(1) durumları, başka bir kübitin 0(1) durumları ile benzersiz bir şekilde ilişkilendirilmelidir. İki veya daha fazla nesnenin kuantum durumları birbirine bağlandığında buna kuantum dolaşıklığı denir.

Kuantum dolaşıklık sorunu

Kuantum hesaplama ile ilgili temel zorluk, kübitlerin bir ortamla çevrili olması ve bir ortamla etkileşime girmesidir. Bu etkileşim, kübitlerin kuantum dolaşıklığının bozulmasına ve birbirlerinden ayrılmalarına neden olabilir.

İki para biriminin benzerliği bu kavramı anlamaya yardımcı olabilir. İki özdeş madeni para aynı anda döndürülür ve kısa bir süre sonra kapatılırsa, tura veya yazı olsun, aynı yüzleri yukarıda olabilir. Madeni paralar arasındaki bu senkronizasyon, kuantum dolaşıklığı ile karşılaştırılabilir. Bununla birlikte, madeni paralar daha uzun bir süre dönmeye devam ederse, sonunda senkronizasyonu kaybedecek ve artık aynı taraf – baş veya kuyruk – yukarı bakacak şekilde bitmeyecektir.

Senkronizasyon kaybı, dönen madeni paraların, esas olarak masayla sürtünme nedeniyle yavaş yavaş enerji kaybetmesinden kaynaklanır ve her madeni para bunu benzersiz bir şekilde yapar. Kuantum aleminde, çevre ile etkileşimden kaynaklanan sürtünme veya enerji kaybı, sonunda kuantum uyumsuzluğuna yol açar, bu da kübitler arasında senkronizasyon kaybı anlamına gelir. Bu, kuantum durumunun fazının (madeni paranın dönme açısıyla temsil edilir) zaman içinde rastgele değiştiği, kuantum bilgisinin kaybına neden olduğu ve kuantum hesaplamayı imkansız hale getirdiği kübitlerin zayıflamasıyla sonuçlanır.

Etkili temsil tamamen otomatik olarak belirlenir ve herhangi bir tahmine veya önyargılı varsayıma dayanmaz. Kredi bilgileri: Alexey Vagov

Kuantum tutarlılık ve dinamikler

Bugün birçok araştırmacının karşılaştığı temel zorluk, kuantum tutarlılığını daha uzun süreler boyunca sürdürmektir. Bu, kuantum dinamiği olarak da bilinen bir kuantum durumunun zaman içindeki evrimini doğru bir şekilde tanımlayarak elde edilebilir.

MIEM HSE Kuantum Metamalzemeler Merkezi’nden bilim adamları, Almanya ve Birleşik Krallık’tan meslektaşlarıyla işbirliği içinde, kübitlerin çevreleriyle etkileşimini ve bunun sonucunda meydana gelen değişiklikleri incelemek için bir çözüm olarak, Keyfi Ortamların Otomatik Sıkıştırılması (ACE) adlı bir algoritma önerdiler. zaman içinde kuantum durumlarında.

Kuantum dinamiklerine bir bakış

“Ortamdaki neredeyse sonsuz sayıda titreşim modu veya serbestlik derecesi, kuantum dinamiklerini hesaplamayı özellikle zorlaştırıyor. Gerçekten de, bu görev, trilyonlarca diğeriyle çevriliyken tek bir kuantum sisteminin dinamiklerini hesaplamayı içeriyor. Bu durumda doğrudan hesaplama imkansız. çünkü hiçbir bilgisayar onunla başa çıkamaz.

Bununla birlikte, ortamdaki tüm değişiklikler eşit öneme sahip değildir: kuantum sistemimizden yeterli bir mesafede meydana gelenler, dinamiklerini önemli şekillerde etkileyemez. Metodumuzun temelinde “ilgili” ve “alakasız” çevresel serbestlik derecelerine ayırma yatıyor, “diyor makalenin ortak yazarı ve MIEM HSE Nicel Metamalzemeler Merkezi direktörü Alexei Vagof.

Feynman yorumu ve ACE algoritması

Ünlü Amerikalı fizikçi Richard Feynman’ın önerdiği kuantum mekaniği yorumuna göre, bir sistemin kuantum durumunu hesaplamak, duruma ulaşılabilecek tüm olası yolların toplamını hesaplamayı içerir. Bu açıklama, bir kuantum parçacığının (sistemin) ileri veya geri, sağa veya sola ve hatta zamanda geriye doğru da dahil olmak üzere tüm olası yönlerde hareket edebileceğini varsayar. Parçacığın son durumunu hesaplamak için tüm bu yörüngelerin kuantum olasılıkları eklenmelidir.

Sorun şu ki, tüm çevre bir yana, tek bir parçacık için bile pek çok olası yörünge var. Algoritmamız, önemsiz olanları eleyerek yalnızca kübit dinamiklerine önemli ölçüde katkıda bulunan yolları dikkate almayı mümkün kılar. Metodumuzda, kübitin ve çevresinin evrimi, tüm sistemin farklı zaman noktalarındaki durumunu tanımlayan matrisler veya sayı tabloları olan tensörler tarafından yakalanır. Ardından tensörlerin yalnızca sistemin dinamikleriyle ilgili kısımlarını seçiyoruz,” diye açıklıyor Alexey Vagoff.

Sonuç: ACE algoritmasının çıkarımları

Araştırmacılar, keyfi ortamlar için otomatik sıkıştırma algoritmasının herkese açık olduğunu ve bilgisayar kodu olarak uygulandığını iddia ediyor. Yazarlara göre, çoklu kuantum sistemlerinin dinamiklerinin doğru hesaplanması için tamamen yeni olanaklar sunuyor. Özellikle, bu yöntem, dolaşıklığa kadar geçen süreyi tahmin etmeyi mümkün kılar. Foton Kuantum telefon hatlarındaki çiftler, bir kuantum parçacığının ne kadar uzağa ışınlanabileceği veya bir kuantum bilgisayarın kübitlerinin tutarlılığını kaybetmesinin ne kadar sürebileceği kadar dolaşık hale gelecektir.

Referans: “Simulation of Open Quantum Systems by Automated Compression of Random Environments” Yazan: Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling ve Eric M. Guger, 24 Mart 2022, Mevcut Burada. doğa fiziği.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9