Миллион состояний из неполных данных

Ученые предложили подход, который позволяет определять состояние квантовой системы, зная лишь часть данных, необходимых 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.

Несмотря на успех в развитии компьютерных технологий, некоторые вычислительные задачи — например, точное моделирование физических процессов, химических молекул и реакций или выбор оптимального варианта из большого количества возможных — остаются крайне сложными. В несколько раз 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 числом кубитов (порядка ста) — квантовой версией компьютерного бита. Если обычный бит можно сравнить с монеткой, которая имеет две возможные 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 той или иной 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.

Результаты томографии квантовой системы

Алексей Федоров

Исследователи из Российского квантового центра (Сколково) и Национального исследовательского технологического университета 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-й 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 самых больших 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 Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и лаборатории МИСИС, PhD по теоретической физике Университета Париж-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.

Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале PRX Quantum.