Учёные НИТУ МИСИС улучшили симуляцию квантовых цепочек на обычных компьютерах

Исследователи из Университета МИСИС, Российского квантового центра, РКЦ, Московского физико-технического института, МФТИ, и Математического института им. В.А. Стеклова нашли способ улучшить симуляцию квантовых вычислений на обычных компьютерах, даже если есть помехи.

Учёные использовали квазивероятностное представление квантовой механики, где поведение квантовых объектов описывается с помощью «отрицательных вероятностей» (квазивероятностей).

В этом представлении возможность появления отрицательных вероятностей — это единственное отличие квантовых систем от стохастических классических систем. Чем больше в описании реализации квантового алгоритма отрицательных элементов, тем сложнее его симулировать на классическом компьютере.

Благодаря новой технике подбора «базиса» для построения квази-вероятностного описания квантовой цепочки, авторы смогли снизить её негативность и упростить классическую симуляцию.

Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС и руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ, рассказал об исследовании квантовых цепей с однокубитными и двухкубитными квантовыми вентилями. Эти вентили работают с состояниями квантовой суперпозиции и запутанными состояниями и подвержены шумам в реальных квантовых процессорах.

Исследователи искали оптимальные параметры для разных уровней шума, варьируя размерность фреймов и тип вентилей.

Они рассмотрели однокубитные фреймы различных размерностей, соответствующих правильным многогранникам (тетраэдру, кубу, октаэдру и т.д.). Многогранники рассматривались в трёхмерном пространстве параметров Блоха, а их вершины служили точками для построения однокубитных фреймов. Увеличение числа вершин (размерности фрейма) снижает негативность в описании цепочки.

Результаты сравнивали с методикой снижения негативности за счёт объединения нескольких вентилей в один ( «gate merging»). При наличии шумов увеличение размерности фреймов оказалось более эффективным.

Наше исследование важно для эффективной симуляции квантовых устройств. Мы показали, что увеличение размерности фреймов квази-вероятностных представлений позволяет значительно снизить негативный эффект и ускорить классическую симуляцию квантовых вычислений. В дальнейшем мы планируем использовать техники квази-вероятностной симуляции для повышения эффективности квантовых компьютеров, — рассказал Денис Куликов, младший научный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review A (Q1).

02.08.2024