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, 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 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 № 24-71-00084 был разработан новый подход к выбору кудитных операций.
Об университете
Университет МИСИС — ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Первым в России получил статус «Национальный исследовательский технологический университет». Входит в ТОП-5 лучших вузов страны по версии Round University Rankings и в топ-10 согласно рейтингам Times Higher Education (THE) и Interfax. В составе: 10 институтов, 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом; 48 исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров. Основные направления: создание инновационных материалов для микроэлектроники, космоса, ядерной и солнечной энергетики и др.; металлургия; аддитивное производство; горное дело; биоинженерия; ИТ и машинное обучение; квантовые технологии и коммуникации; инжиниринг; промышленный дизайн; технологическое искусство; экономика и инноватика. Университет занимает лидерские позиции в госпрограмме Минобрнауки России «Приоритет-2030» и федеральном проекте «Передовые инженерные школы». Является участником пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования.
Фото: пресс-служба НИТУ МИСИС
