Учёные Университета МИСИС предложили новые способы моделирования запутанных многочастичных квантовых систем с большим числом состояний. Ранее считалось, что вычислительной мощности классических компьютеров не хватит для подобных расчётов в случае больших систем. На помощь пришли квантовые процессоры и многоуровневые квантовые носители информации — кудиты.
Чтобы моделировать работу сложных структур, где одновременно взаимодействует множество частиц, необходимы квантовые вычисления. Они перспективны для создания сверхпроводников, новых типов электронных устройств, а также для изучения магнетизма и поведения материалов в экстремальных условиях. Один из наиболее часто используемых подходов в статистической физике для такой работы — модель Поттса, обобщение модели Изинга.
При увеличении в расчётах числа частиц и уровней, вычислительной мощности классических компьютеров не хватает, поэтому на помощь приходит квантовое моделирование. Но при кодировании с помощью двухуровневых квантовых систем, кубитов, неизбежно возникают дополнительные корреляции, что увеличивает вычислительные затраты.
Исследователи НИТУ МИСИС предложили новые способы моделирования систем, где взаимодействуют многоуровневые квантовые системы. Физики разработали новый квантовый алгоритм и два варианта разложения сложной квантовой динамики на набор простых операций, которые можно выполнить с помощью уже существующих кудитных квантовых процессоров. Один подход использует вентиль Мёльмера—Соренсена для ионных квантовых компьютеров и дополнительный вспомогательный уровень, а второй — вентиль на световом сдвиге. С подробностями работы можно ознакомиться в научном журнале Entropy (Q2).
«Мы показали, что использование многоуровневых квантовых систем позволяет напрямую и более эффективно моделировать сложные квантовые процессы без необходимости упрощать их до двухуровневых кубитных моделей. Оба предложенных нами подхода позволяют представить модель Поттса в виде последовательности операций, пригодных для квантовых процессоров на основе ионных ловушек», — рассказал инженер лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Максим Гавреев.
Учёные предложили конкретные схемы как для одиночных кудитов, так и для взаимодействующих пар. Используя метод Сузуки—Троттера, они разложили динамику квантовой системы на набор простых логических элементов — квантовых вентилей, которые последовательно преобразуют состояния системы по заданным правилам, что позволяет воспроизводить её динамику на реальных квантовых устройствах. Также подход позволяет выявлять динамические квантовые фазовые переходы — резкие изменения в поведении системы со временем.
«Наши результаты открывают путь к более компактной и точной реализации квантовых симуляций на существующих платформах, что особенно значимо для развития квантовых технологий в ближайшие годы. Важно отметить, что мы предложили оригинальный квантовый алгоритм на основе кудитов», — отметил к.ф.-м.н. Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС.
Исследование выполнено в рамках стратегического технологического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030». При поддержке гранта РНФ №
был разработан новый подход к выбору кудитных операций.
