正確な Qubit 計算のための先駆的なアルゴリズム

実用的な量子コンピューティングがまた一歩近づいています。

研究者らは、量子ビットとその周囲の環境との相互作用、およびその後の量子状態の変化を研究するために設計された任意環境の自動圧縮 (ACE) と呼ばれる新しいアルゴリズムを導入しました。 量子力学のファインマン解釈に基づいたこのアルゴリズムは、量子力学の計算を簡素化することで、量子システムを理解して利用する新しい方法を提供します。 潜在的な用途には、量子電話通信とコンピューティングの進歩が含まれ、量子のコヒーレンスともつれについてより正確な予測が可能になります。

従来のコンピューターは情報の送信に 0 と 1 で表される量子ビットを使用しますが、量子コンピューターは代わりに量子ビット (量子ビット) を使用します。 ビットと同様に、量子ビットには 2 つの主な状態または値、0 と 1 があります。ただし、ビットとは異なり、量子ビットは両方の状態に同時に存在できます。

これは不可解な皮肉のように思えるかもしれませんが、コインの単純なアナロジーで説明できます。 古典的なビットは、表または裏 (1 または 0) が上を向いた広げられたコインとして表すことができます。一方、量子ビットは、同じく表と裏がある回転するコインと考えることができますが、表か裏かは、回転が停止するとすぐに決定されます。つまり、元の状態が失われます。

回転するコインが停止すると、量子ビットの 2 つの状態のうちの 1 つが決定される量子のアナロジーとして機能します。 で 定量的統計たとえば、ある量子ビットの状態 0(1) は別の量子ビットの状態 0(1) と一意に関連付けられている必要があります。 2 つ以上の物体の量子状態が相互接続されることを、量子もつれと呼びます。

量子もつれの挑戦

量子コンピューティングの主な問題は、量子ビットが環境に囲まれ、環境と相互作用することです。 この相互作用により、量子ビットの量子もつれが悪化し、量子ビットが互いに分離する可能性があります。

2 つの通貨の類似性は、この概念を理解するのに役立ちます。 2 つの同一のコインを一度にスピンし、その後すぐにオフにした場合、表か裏かにかかわらず、同じ面が上になる可能性があります。 コイン間のこの同期は、量子のもつれに例えることができます。 ただし、コインが長期間回転し続けると、最終的に同期が失われ、同じ面 (表または裏) が上を向かなくなります。

同期の喪失は、主にテーブルとの摩擦により、回転するコインが徐々にエネルギーを失うために発生します。これは各コインが独自の方法で行われます。 量子の領域では、摩擦、つまり環境との相互作用によるエネルギーの損失により、最終的に量子デコヒーレンスが発生します。これは、量子ビット間の同期の喪失を意味します。 その結果、量子状態の位相 (コインの回転角で表される) が時間の経過とともにランダムに変化する量子ビットの位相ずれが発生し、量子情報の損失が発生し、量子コンピューティングが不可能になります。

効果的な表現は完全に自動的に決定され、近似や先入観に基づくものではありません。 クレジット: Alexei Vagov

量子のコヒーレンスとダイナミクス

今日、多くの研究者が直面している主な課題は、量子コヒーレンスを長期間維持することです。 これは、量子力学としても知られる、時間の経過に伴う量子状態の進化を正確に記述することによって実現できます。

MIEM HSE 量子メタマテリアルセンターの科学者は、ドイツと英国の同僚と協力して、量子ビットとその環境の相互作用とその結果生じる変化を研究するためのソリューションとして、任意環境の自動圧縮 (ACE) と呼ばれるアルゴリズムを提案しました。時間の経過とともに量子状態に戻ります。

量子力学への洞察

「環境内の振動モードや自由度がほぼ無限にあるため、量子力学の計算は特に困難になります。実際、このタスクには、他の量子システムに囲まれた単一の量子系の動力学を計算することが含まれます。この場合、直接計算することは不可能です」この場合、コンピュータでは処理できないためです。

ただし、環境のすべての変化が同じ重要性を持つわけではありません。私たちの量子システムから十分な距離で起こった変化は、量子システムのダイナミクスに大きな影響を与えることができません。 「関連する」環境自由度と「無関係な」環境自由度への分割が、私たちの手法の基礎にあります」と、論文の共著者であり、MIEM HSE 定量メタマテリアルセンターの所長である Alexei Vagof 氏は述べています。

ファインマン解釈とACEアルゴリズム

有名なアメリカの物理学者リチャード・ファインマンによって提案された量子力学の解釈によれば、システムの量子状態の計算には、その状態を達成できるすべての可能な方法の合計を計算することが含まれます。 この説明では、量子粒子 (システム) が、前後、右、左、さらには時間を遡るなど、あらゆる方向に移動できると仮定しています。 粒子の最終状態を計算するには、これらすべての軌道の量子確率を加算する必要があります。

問題は、環境全体は言うまでもなく、単一の粒子でも多くの可能な軌道が存在することです。 私たちのアルゴリズムにより、量子ビットのダイナミクスに大きく寄与するパスのみを考慮し、無視できるパスを除外することが可能になります。 私たちの方法では、量子ビットとその環境の進化は、さまざまな時点でのシステム全体の状態を記述する行列または数値表であるテンソルによって捕捉されます。 次に、システムのダイナミクスに関連するテンソルの部分のみを選択します」と Alexey Vagov は説明します。

結論: ACE アルゴリズムの意味

研究者らは、任意の環境向けの自動圧縮アルゴリズムは公的に利用可能であり、コンピューターコードとして実装されていると主張している。 著者らによれば、これは複数の量子システムのダイナミクスを正確に計算するためのまったく新しい可能性を切り開くものであるという。 特に、この方法では絡みまでの時間を推定することが可能となる。 光子 量子電話回線のペアがほどけるようになります。これは、量子粒子がテレポートできる距離、または量子コンピューターの量子ビットがコヒーレンスを失うまでにかかる時間を表します。

参考文献: 「ランダム環境の自動圧縮によるオープン量子システムのシミュレーション」Moritz Sigorek、Michael Kozacchi、Aleksey Fagov、Vollrath-Martin Akst、Brendon W. Lovett、Jonathan Keeling、および Eric M. Guger 著、2022 年 3 月 24 日、入手可能ここ。 自然物理学。
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9