Zinātnieki izstrādāja ACE algoritmu, lai pētītu kubitu mijiedarbību un to kvantu stāvokļa izmaiņas, vienkāršojot kvantu dinamikas aprēķinus un paverot ceļu kvantu skaitļošanas un telefonijas attīstībai.
Praktiskā kvantu skaitļošana ir vēl viens solis tuvāk.
Pētnieki ieviesa jaunu algoritmu, ko sauc par patvaļīgu vidi automatizētu saspiešanu (ACE), kas paredzēts, lai izpētītu kubitu mijiedarbību ar apkārtējo vidi un turpmākās izmaiņas kvantu stāvoklī. Vienkāršojot kvantu dinamikas aprēķinus, šis algoritms, kas balstīts uz Feinmena kvantu mehānikas interpretāciju, piedāvā jaunus veidus, kā izprast un izmantot kvantu sistēmas. Iespējamie pielietojumi ietver kvantu telefonijas un skaitļošanas progresu, nodrošinot precīzākas prognozes par kvantu saskaņotību un samezglošanos.
Parastie datori informācijas pārsūtīšanai izmanto kubitus, kas apzīmēti ar nullēm un vieniniekiem, savukārt kvantu datori izmanto kvantu bitus (kubitus). Līdzīgi kā bitiem, kubitiem ir divi galvenie stāvokļi jeb vērtības: 0 un 1. Tomēr atšķirībā no bita kubits var pastāvēt abos stāvokļos vienlaikus.
Lai gan tas var šķist mulsinoša ironija, to var izskaidrot ar vienkāršu analoģiju ar monētu. Klasisko bitu var attēlot kā izstieptu monētu ar galvu vai astēm (vienu vai nulli) uz augšu, savukārt kubītu var uzskatīt par griežamu monētu, kurai arī ir galviņas un astes, bet neatkarīgi no tā, vai tās ir galviņas vai astes, var. tiek noteikts, tiklīdz tas pārstāj griezties, t.i., zaudē sākotnējo stāvokli.
Kad griešanās monēta apstājas, tā var kalpot par analoģiju kvantu analoģijai, kurā tiek noteikts viens no diviem kubīta stāvokļiem. iekšā Kvantitatīvā statistika, dažādi kubiti ir jāsaista kopā, piemēram, viena kubita stāvokļi 0(1) ir unikāli saistīti ar cita kubita stāvokļiem 0(1). Kad divu vai vairāku objektu kvantu stāvokļi kļūst savstarpēji saistīti, to sauc par kvantu sapīšanos.
Kvantu sapīšanās izaicinājums
Galvenā kvantu skaitļošanas grūtība ir tā, ka kubitus ieskauj vide un tie mijiedarbojas ar to. Šī mijiedarbība var izraisīt kubitu kvantu sapīšanās pasliktināšanos, izraisot to atdalīšanu viens no otra.
Divu valūtu līdzība var palīdzēt izprast šo jēdzienu. Ja divas identiskas monētas tiek vērptas uzreiz un pēc tam drīz pēc tam tiek izslēgtas, tām var būt viena un tā pati puse uz augšu neatkarīgi no tā, vai tās ir galviņas vai astes. Šo sinhronizāciju starp monētām var salīdzināt ar kvantu sapīšanu. Tomēr, ja monētas turpinās griezties ilgāku laiku, tās galu galā zaudēs sinhronizāciju un vairs nebūs ar vienu un to pašu pusi — galvu vai asti — vērstu uz augšu.
Sinhronizācijas zudums rodas, jo griežamās monētas pakāpeniski zaudē enerģiju, galvenokārt berzes dēļ ar galdu, un katra monēta to dara unikālā veidā. Kvantu jomā berze vai enerģijas zudums mijiedarbības ar vidi dēļ galu galā noved pie kvantu dekoherences, kas nozīmē sinhronizācijas zudumu starp kubitiem. Tā rezultātā notiek kubitu defāze, kurā kvantu stāvokļa fāze (ko attēlo monētas griešanās leņķis) laika gaitā nejauši mainās, izraisot kvantu informācijas zudumu un padarot kvantu skaitļošanu neiespējamu.
Efektīvs attēlojums tiek noteikts pilnībā automātiski, un tas nav balstīts uz tuvinājumiem vai iepriekš pieņemtiem pieņēmumiem. Kredīts: Aleksejs Vagovs
Kvantu saskaņotība un dinamika
Galvenais izaicinājums, ar ko šodien saskaras daudzi pētnieki, ir kvantu saskaņotības saglabāšana ilgāku laiku. To var panākt, precīzi aprakstot kvantu stāvokļa attīstību laika gaitā, ko sauc arī par kvantu dinamiku.
Zinātnieki no MIEM HSE kvantu metamateriālu centra sadarbībā ar kolēģiem no Vācijas un Apvienotās Karalistes ir ierosinājuši algoritmu ar nosaukumu Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) kā risinājumu, lai pētītu kubitu mijiedarbību ar vidi un no tā izrietošās izmaiņas. savā kvantu stāvoklī laika gaitā.
Ieskats kvantu dinamikā
“Gandrīz bezgalīgais vibrācijas režīmu vai brīvības pakāpju skaits vidē padara kvantu dinamikas aprēķināšanu īpaši sarežģītu. Patiešām, šis uzdevums ietver vienas kvantu sistēmas dinamikas aprēķināšanu, kamēr to ieskauj triljoni citu. Šajā gadījumā nav iespējams veikt tiešus aprēķinus. gadījumā, jo neviens dators ar to nevar tikt galā.
Tomēr ne visas izmaiņas vidē ir vienlīdz nozīmīgas: tās, kas notiek pietiekamā attālumā no mūsu kvantu sistēmas, nespēj būtiski ietekmēt tās dinamiku. Mūsu metodes pamatā ir iedalījums “attiecīgajos” un “nesvarīgajos” vides brīvības pakāpēs,” saka Aleksejs Vagofs, darba līdzautors un MIEM HSE kvantu metamateriālu centra direktors.
Feinmana interpretācija un ACE algoritms
Saskaņā ar slavenā amerikāņu fiziķa Ričarda Feinmena piedāvāto kvantu mehānikas interpretāciju, lai aprēķinātu sistēmas kvantu stāvokli, tiek aprēķināta visu iespējamo stāvokļa sasniegšanas veidu summa. Šis skaidrojums paredz, ka kvantu daļiņa (sistēma) var pārvietoties visos iespējamos virzienos, tostarp uz priekšu vai atpakaļ, pa labi vai pa kreisi un pat atpakaļ laikā. Lai aprēķinātu daļiņas galīgo stāvokli, ir jāsaskaita visu šo trajektoriju kvantu varbūtības.
Problēma ir tā, ka ir daudzas iespējamās trajektorijas pat vienai daļiņai, nemaz nerunājot par visu vidi. Mūsu algoritms ļauj ņemt vērā tikai ceļus, kas būtiski veicina kubitu dinamiku, vienlaikus novēršot tos, kas ir nenozīmīgi. Mūsu metodē kubīta un tā vides attīstību tver tenzori, kas ir skaitļu matricas vai tabulas, kas apraksta visas sistēmas stāvokli dažādos laika punktos. Pēc tam mēs izvēlamies tikai tās tenzoru daļas, kas attiecas uz sistēmas dinamiku,” skaidro Aleksejs Vagofs.
Secinājums: ACE algoritma sekas
Pētnieki apgalvo, ka automatizētais saspiešanas algoritms patvaļīgām vidēm ir publiski pieejams un ieviests kā datora kods. Pēc autoru domām, tas paver pilnīgi jaunas iespējas precīzai vairāku kvantu sistēmu dinamikas aprēķināšanai. Jo īpaši šī metode ļauj novērtēt laiku līdz sapīšanās Fotons Kvantu telefonijas līniju pāri kļūs nesavienoti, proti, cik tālu kvantu daļiņa var teleportēties vai cik ilgs laiks var paiet, līdz kvantu datora kubiti zaudē saskaņotību.
Atsauce: Morics Sigoreks, Maikls Kozači, Aleksejs Fagovs, Volrats-Martins Aksts, Brendons V. Lovets, Džonatans Kīlings un Ēriks M. Gugers “Atvērto kvantu sistēmu simulācija, izmantojot nejaušu vidi automatizētu saspiešanu”, 2022. gada 24. marts, pieejams šeit. dabas fizika.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9
