Baanbrekend algoritme voor nauwkeurige Qubit-berekening

Praktische quantumcomputing is weer een stap dichterbij.

De onderzoekers introduceerden een nieuw algoritme genaamd Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE), ontworpen om de interacties van qubits met hun omgeving en de daaropvolgende veranderingen in hun kwantumtoestand te bestuderen. Door de berekening van kwantumdynamica te vereenvoudigen, biedt dit algoritme, gebaseerd op de Feynman-interpretatie van kwantummechanica, nieuwe manieren om kwantumsystemen te begrijpen en te benutten. Mogelijke toepassingen zijn onder meer vorderingen op het gebied van kwantumtelefonie en computers, waardoor nauwkeurigere voorspellingen kunnen worden gedaan over kwantumcoherentie en verstrengeling.

Conventionele computers gebruiken qubits, weergegeven door nullen en enen, om informatie te verzenden, terwijl kwantumcomputers in plaats daarvan kwantumbits (qubits) gebruiken. Net als bij bits hebben qubits twee hoofdtoestanden of waarden: 0 en 1. In tegenstelling tot een bit kan een qubit echter in beide toestanden tegelijkertijd bestaan.

Hoewel dit misschien een verbijsterende ironie lijkt, kan het worden verklaard door een simpele analogie met een muntstuk. Een klassiek bit kan worden weergegeven als een uitgestrekte munt met een kop of munt (één of nul) naar boven gericht, terwijl een qubit kan worden gezien als een draaiende munt, die ook kop en munt heeft, maar of het kop of munt is, kan worden bepaald zodra het stopt met draaien, d.w.z. zijn oorspronkelijke staat verliest.

Wanneer een draaiende munt stopt, kan dit dienen als analogie voor een kwantumanalogie, waarin een van de twee toestanden van een qubit wordt bepaald. in Kwantitatieve statistieken, moeten verschillende qubits aan elkaar worden gekoppeld. Status 0(1) van een qubit moet bijvoorbeeld uniek zijn gekoppeld aan status 0(1) van een andere qubit. Wanneer de kwantumtoestanden van twee of meer objecten met elkaar verbonden raken, wordt dit kwantumverstrengeling genoemd.

Kwantumverstrengeling uitdaging

De grootste moeilijkheid met quantumcomputing is dat qubits omgeven zijn door en interageren met een omgeving. Door deze interactie kan de kwantumverstrengeling van qubits verslechteren, waardoor ze van elkaar gaan scheiden.

De gelijkenis van twee valuta’s kan dit concept helpen begrijpen. Als twee identieke munten tegelijk worden gedraaid en kort daarna worden uitgeschakeld, kunnen ze eindigen met dezelfde kant naar boven, of het nu kop of munt is. Deze synchronisatie tussen munten is te vergelijken met kwantumverstrengeling. Als de munten echter langere tijd blijven ronddraaien, zullen ze uiteindelijk de synchronisatie verliezen en zullen ze niet meer met dezelfde kant – kop of staart – naar boven komen te liggen.

Verlies van synchronisatie treedt op omdat draaiende munten geleidelijk aan energie verliezen, voornamelijk door wrijving met de tafel, en elke munt doet dit op een unieke manier. In de kwantumwereld leidt wrijving, of het verlies van energie als gevolg van interactie met de omgeving, uiteindelijk tot kwantumdecoherentie, wat een verlies aan synchronisatie tussen qubits betekent. Dit resulteert in defasering van qubits, waarbij de fase van de kwantumtoestand (weergegeven door de rotatiehoek van de munt) in de loop van de tijd willekeurig verandert, waardoor kwantuminformatie verloren gaat en kwantumcomputing onmogelijk wordt.

Effectieve representatie wordt volledig automatisch bepaald en is niet gebaseerd op enige benaderingen of vooropgezette aannames. Krediet: Alexei Vagov

Kwantumcoherentie en dynamiek

De belangrijkste uitdaging waar veel onderzoekers tegenwoordig voor staan, is het gedurende langere tijd handhaven van kwantumcoherentie. Dit kan worden bereikt door de evolutie van een kwantumtoestand in de loop van de tijd nauwkeurig te beschrijven, ook wel bekend als kwantumdynamica.

Wetenschappers van het MIEM HSE Centre for Quantum Metamaterials hebben in samenwerking met collega’s uit Duitsland en het Verenigd Koninkrijk een algoritme voorgesteld met de naam Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) als oplossing om de interactie van qubits met hun omgeving en de resulterende veranderingen te bestuderen in hun kwantumtoestand in de loop van de tijd.

Een inzicht in kwantumdynamica

“Het bijna oneindige aantal trillingsmodi of vrijheidsgraden in de omgeving maakt het berekenen van kwantumdynamiek bijzonder moeilijk. Deze taak omvat inderdaad het berekenen van de dynamiek van een enkel kwantumsysteem terwijl het wordt omringd door biljoenen andere. Directe berekening is in dit geval onmogelijk, daar geen computer tegen kan.

Niet alle veranderingen in de omgeving zijn echter even belangrijk: degenen die op voldoende afstand van ons kwantumsysteem plaatsvinden, kunnen de dynamiek ervan niet ingrijpend beïnvloeden. De indeling in ‘relevante’ en ‘irrelevante’ milieuvrijheidsgraden ligt aan de basis van onze methode’, zegt Alexei Vagof, co-auteur van het artikel en directeur van het MIEM HSE Center for Quantitative Metamaterials.

Feynman-interpretatie en het ACE-algoritme

Volgens de interpretatie van de kwantummechanica, voorgesteld door de beroemde Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman, omvat het berekenen van de kwantumtoestand van een systeem het berekenen van de som van alle mogelijke manieren waarop de toestand kan worden bereikt. Deze uitleg gaat ervan uit dat een kwantumdeeltje (het systeem) in alle mogelijke richtingen kan bewegen, inclusief vooruit of achteruit, rechts of links, en zelfs terug in de tijd. De kwantumkansen van al deze trajecten moeten worden opgeteld om de uiteindelijke toestand van het deeltje te berekenen.

Het probleem is dat er veel mogelijke trajecten zijn voor zelfs maar een enkel deeltje, om nog maar te zwijgen van de hele omgeving. Ons algoritme maakt het mogelijk om alleen paden te overwegen die significant bijdragen aan de qubit-dynamiek, terwijl de te verwaarlozen paden worden geëlimineerd. In onze methode wordt de evolutie van de qubit en zijn omgeving vastgelegd door tensoren, dit zijn matrices of tabellen met getallen die de toestand van het hele systeem op verschillende tijdstippen beschrijven. Vervolgens selecteren we alleen die delen van de tensoren die relevant zijn voor de dynamiek van het systeem”, legt Alexey Vagoff uit.

Conclusie: implicaties van het ACE-algoritme

De onderzoekers beweren dat het geautomatiseerde compressie-algoritme voor willekeurige omgevingen openbaar beschikbaar is en geïmplementeerd als computercode. Volgens de auteurs opent het volledig nieuwe mogelijkheden voor het nauwkeurig berekenen van de dynamiek van meerdere kwantumsystemen. Deze methode maakt het met name mogelijk om de tijd tot verstrengeling in te schatten Foton Paren in kwantumtelefonielijnen zullen ontward raken, dat is hoe ver een kwantumdeeltje kan teleporteren, of hoe lang het kan duren voordat de qubits van een kwantumcomputer hun samenhang verliezen.

Referentie: “Simulatie van open kwantumsystemen door geautomatiseerde compressie van willekeurige omgevingen” door Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling en Eric M. Guger, 24 maart 2022, beschikbaar hier. natuur fysica.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9