Создан метод, обеспечивающий мощное квантовое моделирование с коррекцией ошибок

Имея квантовый сопроцессор в облаке, физики из Инсбрука, Австрия, открыли дверь для моделирования ранее неразрешимых проблем в химии, материаловедении и физике высоких энергий. Исследовательские группы во главе с Райнером Блаттом и Питером Цоллером сообщили о своих результатах в журнале Nature о том, как они смогли промоделировать явления физики элементарных частиц на 20 квантовых битах и как их квантовый симулятор занимался самопроверкой результатов впервые.

Многие ученые в настоящее время работают над изучением того, как квантовые особенности могут быть использованы на оборудовании, уже доступном сегодня. Три года назад физики впервые смоделировали спонтанное образование пары элементарных частиц с помощью цифрового квантового компьютера в университете Инсбрука. Однако из-за частоты ошибок для более сложных симуляций потребуется гораздо большее число квантовых битов, которые еще не доступны в современных квантовых компьютерах. Аналоговое моделирование квантовых систем в квантовом компьютере также имеет узкие границы применимости. Используя новый метод, исследователи из Кристиана Кокайла, Кристин Майер и Рик ван Бийнен из Института квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук в настоящее время преодолели эти пределы.

Они использовали программируемый квантовый компьютер с ионной ловушкой с 20 квантовыми битами в качестве квантового сопроцессора, в нем квантово-механические вычисления достигают пределов классических компьютеров, следовательно, вычисления могут быть ретранслированы на аналоговый вычислитель.

«Мы используем лучшие черты обеих технологий», - объяснила физик-экспериментатор Кристина Майер.

«Квантовый симулятор берет на себя сложные вычислительные квантовые задачи, а классический компьютер решает оставшиеся задачи».

Панель инструментов для квантовых моделистов

Ученые использовали вариационный метод, известный из теоретической физики, который применили в своем квантовом эксперименте.

«Преимущество этого метода заключается в том, что мы можем использовать квантовый симулятор в качестве квантового ресурса, независимого от исследуемой проблемы», - сообщил Рик ван Бийнен.

«Таким образом, мы можем моделировать гораздо более сложные проблемы».

Простое сравнение показывает разницу: аналоговый квантовый симулятор похож на кукольный домик, он представляет реальность. Программируемый вариационный квантовый симулятор, с другой стороны, предлагает отдельные строительные блоки, из которых можно построить много разных домов. В квантовых симуляторах эти строительные блоки представляют собой запутанные гейты (переключатели) с одним значением спина. На классическом компьютере этот набор состояний настраивается до тех пор, пока не будет достигнуто предполагаемое квантовое состояние. Для этого физики разработали сложный алгоритм оптимизации, который приводит к результату примерно 100 000 запросов квантового сопроцессора к классическому компьютеру. В сочетании с чрезвычайно быстрыми циклами измерений в квантовом эксперименте симулятор в IQOQI Innsbruck становится невероятно мощным. Впервые физики симулировали самопроизвольное создание и разрушение пар элементарных частиц в вакууме на 20 квантовых битах. Поскольку новый метод очень эффективен, его также можно использовать на еще больших квантовых симуляторах. Исследователи Инсбрука планируют построить квантовый симулятор с до 50 ионами в ближайшем будущем. Это открывает интересные перспективы для дальнейших исследований твердотельных моделей и проблем физики высоких энергий.

Встроенная самопроверка

Ранее нерешенной проблемой в сложных квантовых симуляциях являлась проверка результатов симуляции.

«Такие вычисления вряд ли можно полностью проверить с помощью классических компьютеров. Но то как мы проверяем, результатом является правильный результат вычислений квантовой системы», - рассказал физик-теоретик Кристиан Кокайл.

«Мы впервые решили этот вопрос, выполнив дополнительные измерения в квантовой системе. На основе результатов квантовая машина оценивает качество моделирования», - объяснил Кокаил. Такой механизм проверки является предпосылкой для еще более сложных квантовых симуляций, поскольку необходимое количество квантовых битов резко возрастает.

«Мы все еще можем протестировать симуляцию на 20 квантовых битах на классическом компьютере, но при более сложных симуляциях это просто невозможно, - объяснил Рик ван Бийнен.

«В нашем исследовании квантовый эксперимент был даже быстрее, чем контрольное моделирование на ПК. В конце концов, нам пришлось исключить его из гонки вычислений, чтобы не замедлять сам эксперимент», - рассказал физик.

Квантовое облако в Инсбруке

Это научное достижение основано на уникальном сотрудничестве между экспериментом и теорией в квантовом исследовательском центре Инсбрука. Опыт многолетних экспериментальных квантовых исследований отвечает инновационным теоретическим идеям Австрии. Вместе это приводит к результатам, признанным во всем мире, и устанавливает ведущую международную позицию в области квантовых исследований в Инсбруке. «На этот эксперимент ушло 15 лет очень тяжелой работы», - подчеркнул физик-экспериментатор Райнер Блатт.

«Очень приятно видеть, что это приносит такие прекрасные плоды».

Физик-теоретик Питер Золлер добавил: «Мы в Инсбруке не только являемся лидерами по количеству доступных квантовых битов, но теперь также продвинулись в области программируемого квантового моделирования и смогли впервые продемонстрировать самопроверку квантовый процессор. С этим новым подходом мы делаем симуляцию повседневных квантовых проблем доступной».

Работа, опубликованная в журнале Nature, была сделана при финансовой поддержке австрийского научного фонда FWF и Европейского союза, в частности.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к изображениям:

Рисунок 1.

Схема установки: классический ЦП с квантовой обратной связью.

Рисунок 2.

Основное состояние Швингера (а). (с) распределение оптимизационных параметров в зависимости от числа итераций. (b) распределение полученных и промоделированных значений. (d) корреляция между теоретическими и экспериментальными значениями.

Источник: www.sciencedaily.com

Комментарии: