Разработчики современных квантовых компьютеров все чаще сталкиваются с проблемой, как эффективно управлять большим числом кубитов, связанных между собой. Исследователи Университета ИТМО и Лондонского института математических наук предложили элегантное решение: они рассчитали, как передать квантовое состояние через длинную цепочку кубитов с максимально возможной скоростью. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Квантовые процессоры уже сегодня состоят из десятков и даже сотен кубитов, и их число будет только увеличиваться — так, в ближайшем будущем разработчики Google планируют достичь отметки в тысячу кубитов, а IBM уже представила систему Condor, состоящую из 1121 кубита. Однако просто объединить много элементов недостаточно, необходимо также тонко управлять системой — например, чтобы передать квантовое возбуждение (фотон или спиновое состояние) от одного конца системы к другому. Если такая передача будет слишком медленной, квантовое состояние может разрушиться по пути. Поэтому для платформ с большим числом кубитов требования к скорости и достоверности передачи становятся критическими.
Сегодня, чтобы передать возбуждение в цепочке кубитов, в основном прибегают к двум способам. Первый — поэтапный: включить связь между соседними кубитами, дождаться, пока состояние перетечет с одного кубита на другой, и затем включить следующую связь. Это просто, но медленно. Второй способ — сделать все связи не зависящими от времени и специально подобрать их величину. Тогда состояние само пройдет по цепочке, но процесс этот долгий, особенно если кубитов много. Оба этих метода далеки от оптимального — и недавно исследователи из Университета ИТМО и Лондонского института математических наук предложили новый, наиболее быстрый способ.
Исследователи применили метод под названием «квантовая брахистохрона»: идея схожа с классической физической задачей о самом быстром пути, по которому скатывается шарик между двумя точками. «Представьте, что у вас есть множество возможных траекторий между точками A и B. Мы перебираем их все, пока не обнаружим ту, по которой квантовое состояние дойдет до цели быстрее всего», — рассказала Ксения Чернова, автор статьи и магистрантка Университета ИТМО.
Ученые предлагают не просто включать или выключать связи, как это делают сейчас, а изменять их величину плавно во времени. По задумке авторов на старте сильнее всего включается связь между первыми двумя кубитами, затем она постепенно ослабевает, пока более дальние связи «набирают силу». Такой способ переключения позволяет сформировать волновой пакет, который движется с максимально возможной скоростью (единственное ограничение — законы квантовой физики). В результате состояние в точности переносится из первого кубита цепочки в последний.
«Предложенный нами алгоритм переноса квантового состояния построен на точном управлении параметрами системы. Следовательно, при появлении шума точность транспорта снижается. Однако аналогичные способы переноса, являясь более медленными, тоже демонстрируют потери в эффективности переноса», — отметил Андрей Степаненко, научный сотрудник Лондонского института математических наук и первый автор работы.
Физики также предложили общий способ, как рассчитать минимальное время передачи состояния для системы с любым числом кубитов. В статье ученые представили вычисления для цепочки из сотни элементов — раньше подобные задачи удавалось решить только для маленьких систем из нескольких кубитов.
«Важность этой работы не столько в решении конкретной задачи про перенос состояния в массиве кубитов, сколько в разработке нового метода, пригодного для больших квантовых систем. Это позволит находить более эффективные квантовые алгоритмы, быстрее приготавливать квантовые состояния и в целом расширит возможности современных квантовых систем», — подытожил Максим Горлач, ведущий научный сотрудник ИТМО и последний автор работы.
Исследователи уверены, что предложенный метод уже можно реализовать на нескольких экспериментальных платформах.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
