Тензорная сеть для квантового счета

Ученые из сколковского Международного центра квантовой оптики и квантовых технологий и НИТУ МИСИС разработали цифровой двойник квантовой системы, который помогает понять, как эффективно управлять ею
Тензорная сеть для квантового счета
Общую тензорную сеть раскладывают на две составляющие подсети: для квантовой системы и для окружения, заштрихованные красным и синим цветом соответственно
Алексей Федоров

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. В будущем это поможет разработать протоколы управления для квантовых компьютеров.

Сеть упрощенных тензоров

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.

magnifier.png Тензорные сети позволяют эффективно имитировать квантовые системы, передавая их важнейшие свойства, в том числе согласованность объектов в процессе работы

Ученые из ООО «Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий» (Российский квантовый центр) и Национального исследовательского технологического университета МИСИС разработали цифровой двойник квантовой системы, который помогает понять, как эффективно управлять ею. 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.


ФЕДОРОВ.jpg
Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС», PhD по теоретической физике Университета Парижа-Юг
Алексей Федоров

Поиск наилучшего решения

Исследователи использовали цифровой двойник на основе тензорных сетей, чтобы найти оптимальное управляющее воздействие на квантовую систему. Цифровой двойник удобен для этого, поскольку помогает уменьшить 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, и тем самым «навести резкость» на квантовые шумовые искажения.

magnifier.png Предлагаемые протоколы управления, например, могут позволить скорректировать часть ошибок, обусловленных взаимодействием квантовой системы с внешним миром, и 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 Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС», PhD по теоретической физике Университета Парижа-Юг.

Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Research.

По материалам пресс-службы РНФ

Еще по теме:
19.06.2024
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета с помощью сверхкоротких световых импульсов научились управл...
07.06.2024
Первого июня 2024 года не стало Артура Чилингарова, лауреата Государственной премии, Героя Советского Союза, Героя Росси...
04.06.2024
Электрохимический сенсор, созданный химиками из Казанского федерального университета, отследит состав крови и пота и мож...
23.05.2024
Карл Линней создал единую систему классификации растительного и животного мира, обобщив и упорядочив все накопленные чел...
Наверх