Российские исследователи впервые представили программу, которая позволяет по результатам измерений квантовой системы понять ее окружение и предсказать, как она будет работать под влиянием шума. Работа исследователей опубликована в журнале Physical Review Letters.

Чтобы реализовать квантовые вычисления на практике, требуется решить сложную задачу: научиться эффективно управлять работой кубитов при наличии внешних шумов. Если бы эти квантовые биты были полностью отделены от внешних воздействий, то появления шумов удалось бы избежать, но влиять при этом на эволюцию кубитов оказалось бы невозможным. Это значит, что обработать квантовую информацию тоже стало бы невозможно. «Открытость» кубитов к контролирующим воздействиям делает их уязвимыми как к шумам управления, так и к шумам, которые происходят от неизбежных взаимодействий с окружающими квантовыми объектами, например примесными атомами и паразитными модами излучения.

Особо опасными оказываются шумы немарковского типа, в которых проявляются «эффекты памяти». Действие этих шумов зависит от того, в каких состояниях ранее находились кубиты. Из-за этого учесть их или компенсировать влияние на систему довольно сложно. Такие шумы в той или иной степени присутствуют во всех современных прототипах квантовых компьютеров, но эффективного способа борьбы с ними ученые пока не нашли.

Единственный практический способ извлечь информацию о квантовой системе — измерить ее, но тут работает фундаментальный закон, который гласит, что извлечь информацию из квантовой системы невозможно без ее возмущения. После выполнения измерения над системой ее волновая функция «коллапсирует». В результате конечное состояние системы оказывается никак не связано с начальным. При этом теория дает предсказание только для вероятности обнаружения системы в некотором новом состоянии. Из-за этого, чтобы «восстановить» необходимое состояние квантовой системы, приходится провести множество различных измерений для сбора достаточного количества статистической информации. Такой метод называется томографией квантовых состояний и затрачивает большое количество ресурсов как для проведения эксперимента, так и для обработки данных.

Исследователи из МФТИ разработали новый алгоритм машинного обучения, который можно применять для решения задач квантовой физики. Он учитывает непривычные для классического мира явления вроде невозможности извлечения информации без возмущения квантовой системы. Для этого исследователи создали компьютерную модель, которая описывает результаты последовательных измерений над системой.

«Мы впервые разработали подход, который не использует повторных приготовлений системы и трудоемких процессов томографии. Хотя результаты последовательных измерений над системой выглядят случайными, они тем не менее обладают определенной структурой, которую предложенный нами алгоритм машинного обучения может распознать. Результат работы алгоритма — это эффективная модель окружения, которая допускает включение произвольных управляющих импульсов над системой. Это позволяет управлять открытыми квантовыми системами, которые подвержены влиянию немарковских шумов, в том числе кубитами в современных квантовых компьютерах», — говорит ведущий автор исследования, заведующий лабораторией квантовой теории информации МФТИ Сергей Филиппов.