Физики придумали «полуслепой» метод описания квантовых систем

Ученые из России с коллегами из других стран научились определять состояние квантовой системы, зная лишь часть данных от общего их числа, необходимого для полного описания этой системы.

Разработанный метод поможет предсказывать физические и химические процессы, связанные со свойствами квантовых систем. Кроме использования в химии и физике, предсказание квантовых процессов поможет ученым реализовать алгоритмы для самых различных отраслей — от дизайна лекарств до моделирования материалов. 

На сегодняшний день физики смогли получить для квантовых компьютеров  лишь квантовые процессоры с ограниченным (порядка ста) числом кубитов — квантовой версией компьютерного бита. Для лучшего понимания физических взаимодействий внутри квантового состояния, их описания и реконструкции ученые изобрели квантовую томографию. В ней 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.

Ученые из Российского квантового центра (Сколково) и Национального исследовательского технологического университет МИСИС с коллегами из Канады, Великобритании, ОАЭ и Австрии разработали метод для описания квантового состояния, создаваемого системой из 20 кубитов. Двадцатикубитная система насчитывает 2 в 20 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.

Исследователи из Австрии сделали по тысяче измерений с 27 разных проекций — заведомо меньше, чем необходимо для полного описания состояния системы, которое исчисляется миллионами. Применяя новый метод  по такому набору данных, ученые смогли восстановить состояние 20-кубитной системы. Это одна из наибольших 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», — рассказал Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и лаборатории МИСиС, PhD по теоретической физике Университета Парижа-Юг.

По словам ученых, исследование может помочь в предсказании магнетизма, квантовых фазовых перехода жидкость-пар и других физических явлений. Теперь они 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, опубликованы в журнале PRX Quantum.