Руските учени са намерили начин да направят квантовия компютър по-ефективен

Физиците, включително служителите на Института по теоретична физика в Ландау, са проучили как ергодичността е нарушена в големи квантови системи. В допълнение към факта, че изследването позволява по-добро разбиране на поведението на такива системи, неговите резултати са полезни за разработване на алгоритми за търсене на квантови компютри. Намирането на информация в големи бази данни е задача, с която квантовият компютър може да се справи много по-ефективно от класическия, така че създаването на работещи алгоритми е изключително важно. Работата е публикувана в списанието Annals of Physics .

Принципът на ергодичност е свойството на динамичните системи да преминават през всички налични за тях състояния. Няма значение от първоначалното състояние на старта на процеса, необходимо е само времето за изчакване да бъде достатъчно дълго. Ако считаме един атом в една стая за динамична система, след като чакаме дълго време, ще открием, че той е посетил всички ъгли на тази стая. Но ако си представим, че имаме не един, а цял набор от атоми, които образуват кристал, тогава се оказва, че принципът на ергодичност е нарушен, тъй като всеки от атомите винаги е в близост до една точка. Същата ситуация се наблюдава, ако нямаме кристал, а стъкло. Възниква въпросът: ако има голяма, но ограничена по размер кванта-механична система, при какви условия тя удовлетворява принципа на ергодичност и в кои не, и как едно състояние се превръща в друго.

Този въпрос е интересен не само от чисто научна гледна точка. Постепенно хората се научават да създават много големи, добре изолирани от външния свят квантови системи - квантови компютри. Най-големият съществуващ е собственост на Google и се състои от приблизително 70 кубита. След няколко години вероятно ще се появят квантови компютри от стотици и хиляди кубити. Понятията на квантовата статистическа физика вече са приложими за такива големи системи и по-специално теорията за квантовите стъкла, тоест квантовите системи, които нарушават принципа на ергодичност. От теорията на такива системи вече знаем някои от техните свойства и те налагат сериозни ограничения върху възможностите на квантовите компютри - обаче в тази област на физиката далеч не всичко се разбира и не са установени всички значителни ограничения.

Авторите са работили със сравнително прост модел, включващ голям брой променливи. Те откриха в кой регион от системните параметри е в ергодичната фаза, в кой - не и как е подредена тази ергодична фаза. Моделът беше куб в пространството на голям брой измерения: n-мерна куба, където n е много голям. Съответно броят на върховете на такова кубче - 2n - беше огромен. Определена произволна енергийна стойност беше присвоена на всяка върха на куба и всички стойности бяха избрани от едно и също гауссово разпределение с постоянна ширина. Освен това учените предположиха, че има частица, способна да скача от върха нагоре - амплитудата на такъв квантов скок беше малка и беше зададена първоначално. Физиците искаха да разберат дали такава частица ще стигне произволно далеч или ще спре скоро.

В морския сафари парк се засели лигре

Оказа се, че този проблем има три възможни решения, в зависимост от енергията на частиците. Има област от енергии на частиците, в която се движи по целия куб. Има зона, когато скача само до няколко близки върха. И има междинен регион, в който частица, като започна да се движи от някаква случайна точка, след дълго време се разпределя върху част от куба (тоест може да бъде намерена във всяка точка на този участък на куба). Броят точки, които може да достигне една частица в този случай, е 2an, където a е число от 0 до 1. От една страна, това е голямо число, но от друга, това е само малка част от всички възможни върхове. Например, ако a е 0, 5, 2an представлява корена на общия брой върхове.

„Разбрахме, че има широк спектър от параметри на задачите, при които се реализира такова междинно състояние“, казва един от авторите на работата Михаил Фейгелман, ръководител на сектора на квантовата мезоскопия на Landau на ITF. „Нещо повече, характерното време t, през което частицата„ се разпространява “върху този участък от пространството, се оказва много голямо - то нараства като експоненция на броя на възлите n, тоест t ~ 2nb, където b е друго число между 0 и 1. В този смисъл това поведение е много подобно на състоянието на чашата - можем да кажем, че това е най-простият му модел. Стъклото се характеризира с това, че има много много бавни движения. Ако погледнете стъклото на няколкостотин години, става очевидно, че става въпрос за вискозна течност: те очевидно се сгъстяват и изтъняват в горната част. Времето, за което нещо в чашата се променя, разбира се, но много дълго. Освен това стъклото няма нито едно конкретно време на промени, има много различни такива - някои части се движат по-бързо, други - по-бавно. Нашият модел е първият, в който успяхме да получим теоретични резултати за такива „стъклоподобни“ квантови системи, които са в строга изолация от външния свят, и проверихме тези прогнози, използвайки директен числен експеримент. “

В допълнение, моделът, изучен от физиците, ще бъде полезен за изучаването на квантовите алгоритми. Преди около 20 години беше категорично доказано, че при решаването на проблема с търсенето в големи бази данни квантовият компютър може да бъде по-ефективен от класическия. За това е измислен така нареченият алгоритъм на Grover. Броят на операциите, необходими за класическо търсене в безструктурна база данни с размер N, също е от порядъка на N. „За комуникация с изследвания модел предполагаме, че позициите в базата данни съответстват на възлите на хиперкубата, тоест N = 2n. Квантовият алгоритъм на Гроувър ви позволява да търсите по формулата на движенията „корен на 2n“, обяснява Фейгелман. - Но този алгоритъм е много чувствителен към всички видове грешки. За да търсите нещо в базата данни с негова помощ, трябва да имате истински квантов компютър, който не съществува никъде, който може да коригира грешките му и работи за неопределено време. В близко бъдеще такива машини няма да бъдат създадени. Затова мнозина се интересуват от въпроса: възможно ли е да се излезе с алгоритъм, който не е толкова бърз, но по-стабилен, с който би било възможно да се намерят добри решения в малко по-голям брой ходове от теоретичния лимит на Гровър, но без задължителното изискване за коригиране на всички грешки. "

Теоретиците на Google наскоро се опитаха да отговорят на този въпрос. Математически алгоритмите за търсене на нещо в базата данни (и свързани с оптимизацията проблеми) наподобяват модели на стъкло. Физиците от Google проучиха доста прост модел на хиперкуб. Логиката на тяхната работа беше следната: нека имаме сравнително малък набор от „добри“ върхове на куб (формално това са върхове със същата ниска (отрицателна) енергия, докато всички останали върхове имат нулева енергия). Техният брой M е голям, но много по-малък от общия брой върхове 2n. Ние знаем един от "добрите" върхове и искаме да намерим други такива. Авторите на работата разбраха дали е възможно да се намерят чрез осигуряване на система за тяхната квантова еволюция и колко време ще отнеме този процес? „В работата на физиците от Google бяха направени умерено оптимистични изводи, но самият модел беше твърде опростен“, обяснява Фейгелман. - Нашата работа предлага развитието на тази идея в по-сложни системи. Намирането на най-доброто решение в разумен период от време при такива задачи за търсене може да не е възможно - но можете да намерите разумно добро решение. И има много такива добри решения, но много пъти по-малко от всички възможни състояния. В този смисъл резултатът, който ни подхожда, е много подобен на междинната неергодична фаза в описания от нас метод на квантово стъкло. "

Развитието на това чисто теоретично произведение, както предполагат авторите му, може да се окаже предложение за някаква физическа система - специален тип верига от свръхпроводящи съединения на Джоузефсън (два свръхпроводника, свързани с тънък слой диелектрик, през който също протича свръхпроводящият ток) образуват такъв контакт. Предварителните резултати показват, че такава верига може да има свойства, подобни на тези, открити в теоретичния модел, описан от учените - но важното е, че тя може да бъде конструирана експериментално и да се изследва реалното поведение.

Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Аляска се стопява 100 пъти по-бързо, отколкото мислехме: грандиозно изтичане на времето
2019
Самолет за деня: Savoia-Marchetti S.55
2019
Пускане на огън: Не всеки Бикфорд шнур
2019