Практичното квантно пресметување е уште еден чекор поблиску.
Истражувачите воведоа нов алгоритам наречен Автоматска компресија на произволни средини (ACE) дизајниран да ги проучува интеракциите на кјубитите со нивната околина и последователните промени во нивната квантна состојба. Со поедноставување на пресметувањето на квантната динамика, овој алгоритам, заснован на интерпретацијата на Фејнман за квантната механика, нуди нови начини за разбирање и искористување на квантните системи. Потенцијалните апликации вклучуваат напредок во квантната телефонија и пресметување, обезбедувајќи попрецизни предвидувања за квантната кохерентност и заплеткување.
Конвенционалните компјутери користат битови, претставени со нули и единици, за да пренесуваат информации, додека квантните компјутери користат квантни битови (кјубити). Слично на битовите, кубитите имаат две главни состојби или вредности: 0 и 1. Меѓутоа, за разлика од битот, кубитот може да постои во двете состојби истовремено.
Иако ова може да изгледа како збунувачки парадокс, може да се објасни преку едноставна аналогија со паричка. Класичниот бит може да се претстави како монета што лежи со глави или опашки (една или нула) свртени нагоре, додека кјубитот може да се замисли како монета што се врти, која исто така има глави и опашки, но без разлика дали е глави или опашки нагоре може да се утврди само штом ќе престане да се врти, односно ќе ја изгуби првобитната состојба.
Кога ќе застане монета што се врти, таа може да послужи како аналогија за квантно мерење, при што се избира една од двете состојби на кјубитот. Во квантното пресметување , различните кјубити мора да бидат поврзани заедно, на пр. состојбите 0 (1) од еден кјубит мора да бидат единствено корелирани со состојбите 0 (1) на друг кјубит. Кога квантните состојби на два или повеќе објекти стануваат корелирани, тоа се нарекува квантно заплеткување.
Предизвикот на квантното заплеткување
Главната тешкотија со квантното пресметување е тоа што кјубитите се опкружени со средина и комуницираат со нив. Оваа интеракција може да предизвика деградирање на квантното заплеткување на кјубитите, што резултира со нивно расплеткување еден од друг.
Аналогијата со две монети може да помогне во разбирањето на овој концепт. Ако две идентични монети се вртат истовремено, а потоа прекинат по краток период, и двете може да завршат со иста страна нагоре, или глави или опашки. Оваа синхроничност помеѓу монетите што се вртат може да се спореди со квантно заплеткување. Меѓутоа, ако монетите продолжат да се вртат подолго време, тие на крајот ќе ја изгубат синхроничноста и повеќе нема да завршуваат со истата страна – главите или опашките – свртени нагоре.
Губењето на синхроничноста се случува затоа што монетите што се вртат постепено губат енергија, главно поради триење со масата, и секоја монета го прави тоа на уникатен начин. Во квантниот свет, триењето или загубата на енергија поради интеракција со околината, на крајот доведува до квантна декохеренција, што значи губење на синхроничност помеѓу кјубитите. Ова резултира со дефазирање на кјубит, каде што фазата на квантната состојба (претставена со аголот на ротација на монетата) се менува случајно со текот на времето, предизвикувајќи губење на квантните информации и оневозможување на квантното пресметување.
Идентификувањето на ефикасно претставување е целосно автоматско и не се потпира на никакви априори приближувања или претпоставки. Кредит: Алексеј Вагов
Квантна кохерентност и динамика
Клучен предизвик со кој се соочуваат многу истражувачи денес е да се зачува квантната кохерентност на подолги периоди. Ова може да се постигне со прецизно опишување на еволуцијата на квантната состојба со текот на времето, позната и како квантна динамика.
Научниците од MIEM HSE Центарот за квантни метаматеријали, во соработка со колеги од Германија и Велика Британија, предложија алгоритам наречен Автоматска компресија на произволни средини (ACE) како решение за проучување на интеракцијата на кјубитите со нивната околина и како резултат на промените во нивната квантна состојба со текот на времето.
Увид во квантната динамика
„Речиси бесконечниот број на вибрациони режими или степени на слобода во околината го прави пресметувањето на квантната динамика особено предизвикувачко. Всушност, оваа задача вклучува пресметување на динамиката на еден квантен систем додека тој е опкружен со трилиони други. Директната пресметка е невозможна во овој случај, бидејќи ниту еден компјутер не може да се справи со тоа.
Сепак, не сите промени во околината имаат еднаква важност: оние што се случуваат на доволно растојание од нашиот квантен систем не се способни да влијаат на неговата динамика на големи начини. Поделбата на „релевантни“ и „неважни“ еколошки степени на слобода лежи во основата на нашиот метод“, вели Алексеј Вагов, коавтор на трудот, директор на MIEM HSE Центарот за квантни метаматеријали.
Фајнмановото толкување и ACE алгоритам
Според толкувањето на квантната механика предложено од познатиот американски физичар Ричард Фајнман, пресметувањето на квантната состојба на системот вклучува пресметување на збирот на сите можни начини на кои може да се постигне состојбата. Оваа интерпретација претпоставува дека квантната честичка (систем) може да се движи во сите можни правци, вклучувајќи напред или назад, десно или лево, па дури и назад во времето. Квантните веројатности на сите такви траектории мора да се соберат за да се пресмета конечната состојба на честичката.
„Проблемот е што има премногу можни траектории дури и за една честичка, а камоли за целата околина. Нашиот алгоритам овозможува да се земат предвид само траекториите кои значително придонесуваат за динамиката на кјубитот додека ги отфрлаат оние со незначителен придонес. Во нашиот метод, еволуцијата на кјубитот и неговата околина се доловуваат со тензори, кои се матрици или табели со броеви кои ја опишуваат состојбата на целиот систем во различни моменти во времето. Потоа ги избираме само оние делови од тензорите кои се релевантни за динамиката на системот“, објаснува Алексеј Вагов.
Заклучок: Импликации на ACE алгоритмот
Истражувачите нагласуваат дека алгоритмот за автоматска компресија на произволни средини е јавно достапен и имплементиран како компјутерски код. Според авторите, тој отвора сосема нови можности за прецизно пресметување на динамиката на повеќе квантни системи. Особено, овој метод овозможува да се процени времето додека заплетканите фотонски парови во квантните телефонски линии ќе се расплеткаат, растојанието до кое може да се „телепортира“ квантната честичка или колку време може да потрае за кубитите на квантниот компјутер. да се изгуби кохерентноста.
Референца: „Симулација на отворени квантни системи со автоматска компресија на произволни средини“ од Мориц Цигорек, Мајкл Косаки, Алексеј Вагов, Волрат Мартин Акст, Брендон В. Ловет, Џонатан Килинг и Ерик М. Гаугер, 24 март 2022 година, Nature Physics .
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9
