Российские учёные создали цифровую модель для управления квантовыми вычислениями. Квантовые компьютеры совершают операции намного быстрее обычных, сейчас во всём мире ведётся разработка таких устройств. Управлять квантовыми машинами можно посредством обычных компьютеров, но для этого нужно решить важную проблему разницы в скорости работы этих устройств, так как двоичные вычисления не успевают за квантовыми. Авторы работы решили эту задачу, создав алгоритм на основе трёхмерных математических матриц — тензоров.
Учёные из Национального исследовательского технологического университета МИСИС и Российского квантового центра (Сколково) создали цифровую модель квантовой системы, которая позволит управлять работой квантовых компьютеров. Об этом RT сообщили в пресс-службе РНФ. Работа поддержана грантом фонда. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.
Сегодня учёные всего мира работают над созданием квантовых компьютеров. Такие вычислительные машины не хранят информацию в двоичном коде, где наименьшей единицей хранения считается бит, а используют квантовые биты — кубиты.
Биты могут принимать одно из двух значений: 0 или 1. Кубиты же находятся одновременно в нескольких состояниях, поэтому при решении задач не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают некоторые вычисления значительно быстрее. Так, задание, на выполнение которого у простого компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом за секунду.
Однако большое количество кубитов, задействованных в обработке данных, требует и больше вычислительных ресурсов для управления ими. При этом для отслеживания работы подобных машин мощностей обычных компьютеров не хватает.
Для решения этой проблемы учёные создали цифрового двойника квантового компьютера — алгоритм на основе тензорной сети. Тензоры — это матрицы, или таблицы чисел, представляющие состояние всей квантовой системы в разные моменты времени. Однако хранить в памяти и производить операции со сложными тензорными выражениями тоже трудно, поэтому их разбивают на более мелкие. В результате такого разделения формируются тензорные сети, которые позволяют эффективно имитировать квантовые системы.
«В качестве модельной системы мы рассматривали цепочку спинов — это очень распространённая система в квантовых технологиях, на её базе часто делают квантовые симуляторы — узкоспециализированные квантовые компьютеры для моделирования, например, химических систем и взаимодействия частиц в кристаллической решётке. Мы решали задачу по распространению информации от одного конца цепочки к другому — это соответствует некоторому модельному эксперименту по передаче квантовой информации в рамках системы», — рассказал RT руководитель научной группы Российского квантового центра и директор Института физики и квантовой инженерии Университета МИСИС, PhD по теоретической физике Университета Парижа-Юга Алексей Фёдоров.
По словам специалистов, программа помогает снизить необходимое количество ресурсов для поиска решений. Вместо работы с системами с несколькими миллионами состояний достаточно компактных представлений с несколькими сотнями параметров. Цифровой двойник также скорректирует часть ошибок, например уменьшит квантовый шум.
Алгоритм уже можно использовать на обычном компьютере и управлять с его помощью квантовой системой, отмечают специалисты.