خوارزمية رائدة لحساب Qubit الدقيق

طور العلماء خوارزمية ACE لدراسة تفاعلات الكيوبت والتغيرات في حالتها الكمية ، وتبسيط حساب ديناميكيات الكم وتمهيد الطريق للتقدم في الحوسبة الكمومية والمهاتفة.

الحوسبة الكمومية العملية هي خطوة أخرى أقرب.

أدخل الباحثون خوارزمية جديدة تسمى الضغط الآلي للبيئات التعسفية (ACE) مصممة لدراسة تفاعلات الكيوبتات مع بيئتها المحيطة والتغيرات اللاحقة في حالتها الكمومية. من خلال تبسيط حساب ديناميكيات الكم ، تقدم هذه الخوارزمية ، القائمة على تفسير فاينمان لميكانيكا الكم ، طرقًا جديدة لفهم أنظمة الكم وتسخيرها. تشمل التطبيقات المحتملة التطورات في الاتصالات الهاتفية الكمومية والحوسبة ، مما يوفر تنبؤات أكثر دقة حول التماسك الكمي والتشابك.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية وحدات البت ، ممثلة بالأصفار والآحاد ، لنقل المعلومات ، بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية وحدات البت الكمومية (كيوبت) بدلاً من ذلك. على غرار البتات ، تحتوي البتات الكمومية على حالتين أو قيمتين رئيسيتين: 0 و 1. ومع ذلك ، على عكس قليلا ، يمكن أن يوجد الكيوبت في كلتا الحالتين في نفس الوقت.

في حين أن هذا قد يبدو وكأنه مفارقة محيرة ، يمكن تفسيره من خلال تشبيه بسيط بعملة معدنية. يمكن تمثيل البتة الكلاسيكية على أنها عملة معدنية ممددة برأس أو ذيول (واحد أو صفر) متجهة لأعلى ، في حين يمكن اعتبار الكيوبت كعملة دوارة ، والتي لها أيضًا رؤوس وذيول ، ولكن سواء كانت رأسًا أو ذيولًا ، يمكن يتم تحديده بمجرد توقفه عن الدوران ، أي يفقد حالته الأصلية.

عندما تتوقف عملة دوارة ، يمكن أن تكون بمثابة تشبيه للقياس الكمي ، حيث يتم تحديد إحدى حالتين للكيوبت. في الاحصاء الكمية، يجب ربط وحدات كيوبت مختلفة معًا ، على سبيل المثال ، يجب أن ترتبط الحالات 0 (1) من كيوبت واحد ارتباطًا فريدًا بالحالات 0 (1) من كيوبت آخر. عندما تصبح الحالات الكمومية لكائنين أو أكثر مترابطة ، يطلق عليها اسم التشابك الكمومي.

تحدي التشابك الكمي

تكمن الصعوبة الرئيسية في الحوسبة الكمومية في أن الكيوبتات محاطة ببيئة وتتفاعل معها. يمكن أن يتسبب هذا التفاعل في تدهور التشابك الكمي للكيوبتات ، مما يؤدي إلى انفصالها عن بعضها البعض.

يمكن للتشابه مع عملتين أن يساعد في فهم هذا المفهوم. إذا تم نسج عملتين متطابقتين في وقت واحد ثم تم إيقافهما بعد فترة وجيزة ، فقد ينتهي بهما الأمر مع نفس الجانب لأعلى ، سواء أكان رأسًا أم ذيولًا. يمكن مقارنة هذا التزامن بين العملات المعدنية بالتشابك الكمي. ومع ذلك ، إذا استمرت العملات المعدنية في الدوران لفترة أطول ، فستفقد في النهاية التزامن ولن ينتهي الأمر بعد الآن مع مواجهة نفس الجانب – الرأس أو الذيل – للأعلى.

يحدث فقدان التزامن لأن العملات المعدنية الدوارة تفقد الطاقة تدريجيًا ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الاحتكاك مع الطاولة ، وكل عملة تقوم بذلك بطريقة فريدة. في عالم الكم ، يؤدي الاحتكاك ، أو فقدان الطاقة بسبب التفاعل مع البيئة ، في النهاية إلى فك الترابط الكمي ، مما يعني فقدان التزامن بين الكيوبتات. ينتج عن هذا إزالة الطور بالكيوبت ، حيث تتغير مرحلة الحالة الكمية (ممثلة بزاوية دوران العملة) بشكل عشوائي بمرور الوقت ، مما يتسبب في فقدان المعلومات الكمية ويجعل الحوسبة الكمومية مستحيلة.

يتم تحديد التمثيل الفعال تلقائيًا بالكامل ولا يعتمد على أي تقديرات تقريبية أو افتراضات مسبقة. الائتمان: أليكسي فاجوف

التماسك الكمي والديناميكيات

التحدي الرئيسي الذي يواجهه العديد من الباحثين اليوم هو الحفاظ على التماسك الكمي لفترات أطول. يمكن تحقيق ذلك من خلال الوصف الدقيق لتطور الحالة الكمومية بمرور الوقت ، والمعروف أيضًا باسم ديناميكيات الكم.

اقترح علماء من مركز MIEM HSE للمواد الخارقة الكمية ، بالتعاون مع زملائهم من ألمانيا والمملكة المتحدة ، خوارزمية تسمى الضغط الآلي للبيئات التعسفية (ACE) كحل لدراسة تفاعل الكيوبتات مع بيئتها والتغيرات الناتجة في حالتها الكمومية بمرور الوقت.

نظرة ثاقبة في ديناميكيات الكم

“العدد اللامتناهي تقريبًا من أنماط الاهتزاز أو درجات الحرية في البيئة يجعل حساب ديناميكيات الكم أمرًا صعبًا بشكل خاص. في الواقع ، تتضمن هذه المهمة حساب ديناميكيات نظام كمي واحد بينما يكون محاطًا بتريليونات الآخرين. الحساب المباشر مستحيل في هذه الحالة ، حيث لا يمكن لجهاز الكمبيوتر التعامل معه.

ومع ذلك ، ليست كل التغييرات في البيئة تحمل نفس الأهمية: تلك التي تحدث على مسافة كافية من نظامنا الكمومي غير قادرة على التأثير على ديناميكياتها بطرق رئيسية. يكمن التقسيم إلى درجات الحرية البيئية “ذات الصلة” و “غير ذات الصلة” في أساس طريقتنا “، كما يقول أليكسي فاجوف ، المؤلف المشارك للورقة ، ومدير مركز MIEM HSE للمواد الوصفية الكمية.

تفسير Feynman وخوارزمية ACE

وفقًا لتفسير ميكانيكا الكم الذي اقترحه الفيزيائي الأمريكي الشهير ريتشارد فاينمان ، فإن حساب الحالة الكمومية لنظام ما ينطوي على حساب مجموع جميع الطرق الممكنة التي يمكن من خلالها تحقيق الحالة. يفترض هذا التفسير أن الجسيم الكمومي (النظام) يمكن أن يتحرك في جميع الاتجاهات الممكنة ، بما في ذلك الأمام أو الخلف ، اليمين أو اليسار ، وحتى العودة في الوقت المناسب. يجب إضافة الاحتمالات الكمومية لجميع هذه المسارات لحساب الحالة النهائية للجسيم.

المشكلة هي أن هناك العديد من المسارات المحتملة حتى لجسيم واحد ، ناهيك عن البيئة بأكملها. تتيح الخوارزمية الخاصة بنا النظر فقط في المسارات التي تساهم بشكل كبير في ديناميكيات الكيوبت مع التخلص من تلك التي لا تُذكر. في طريقتنا ، يتم التقاط تطور الكيوبت وبيئته بواسطة الموترات ، وهي مصفوفات أو جداول أرقام تصف حالة النظام بأكمله في نقاط زمنية مختلفة. ثم نختار بعد ذلك فقط تلك الأجزاء من الموترات ذات الصلة بديناميكيات النظام ، “يشرح أليكسي فاجوف.

الخلاصة: تداعيات خوارزمية ACE

يؤكد الباحثون أن خوارزمية الضغط الآلي للبيئات التعسفية متاحة للجمهور ويتم تنفيذها كرمز للكمبيوتر. وفقًا للمؤلفين ، فإنه يفتح إمكانيات جديدة تمامًا للحساب الدقيق لديناميكيات أنظمة الكم المتعددة. على وجه الخصوص ، تتيح هذه الطريقة تقدير الوقت حتى التشابك الفوتون ستصبح الأزواج في خطوط المهاتفة الكمومية غير متشابكة ، وهي المسافة التي يمكن أن ينتقل إليها الجسيم الكمي عن بعد ، أو المدة التي يمكن أن تستغرقها كيوبتات الكمبيوتر الكمومي لتفقد التماسك.

المرجع: “محاكاة أنظمة الكم المفتوحة عن طريق الضغط الآلي للبيئات العشوائية” بقلم موريتز سيغوريك ، ومايكل كوزاكشي ، وأليكسي فاجوف ، وفولراث مارتن أكست ، وبريندون دبليو لوفيت ، وجوناثان كيلينغ ، وإريك إم غوغر ، 24 مارس 2022 ، فيزياء الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41567-022-01544-9