Algoritma perintis untuk perhitungan Qubit yang akurat

Komputasi kuantum praktis adalah langkah lain yang lebih dekat.

Para peneliti memperkenalkan algoritma baru yang disebut Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) yang dirancang untuk mempelajari interaksi qubit dengan lingkungan sekitarnya dan perubahan selanjutnya dalam keadaan kuantumnya. Dengan menyederhanakan perhitungan dinamika kuantum, algoritme ini, berdasarkan interpretasi Feynman atas mekanika kuantum, menawarkan cara baru untuk memahami dan memanfaatkan sistem kuantum. Aplikasi potensial termasuk kemajuan dalam telepon dan komputasi kuantum, memberikan prediksi yang lebih akurat tentang koherensi dan keterikatan kuantum.

Komputer konvensional menggunakan qubit, diwakili oleh nol dan satu, untuk mengirimkan informasi, sedangkan komputer kuantum menggunakan bit kuantum (qubit). Mirip dengan bit, qubit memiliki dua status atau nilai utama: 0 dan 1. Namun, tidak seperti bit, qubit dapat ada di kedua status secara bersamaan.

Meskipun ini mungkin tampak seperti ironi yang membingungkan, ini dapat dijelaskan dengan analogi sederhana tentang koin. Bit klasik dapat direpresentasikan sebagai koin terulur dengan kepala atau ekor (satu atau nol) menghadap ke atas, sedangkan qubit dapat dianggap sebagai koin berputar, yang juga memiliki kepala dan ekor, tetapi apakah itu kepala atau ekor dapat ditentukan segera setelah berhenti berputar, yaitu kehilangan keadaan aslinya.

Ketika koin berputar berhenti, itu bisa berfungsi sebagai analogi untuk analogi kuantum, di mana salah satu dari dua keadaan qubit ditentukan. di dalam Statistik kuantitatif, qubit yang berbeda harus dihubungkan bersama, misalnya, status 0(1) dari satu qubit harus dikaitkan secara unik dengan status 0(1) dari qubit lain. Ketika keadaan kuantum dari dua atau lebih objek menjadi saling berhubungan, itu disebut keterikatan kuantum.

Tantangan keterikatan kuantum

Kesulitan utama dengan komputasi kuantum adalah bahwa qubit dikelilingi oleh, dan berinteraksi dengan lingkungan. Interaksi ini dapat menyebabkan keterikatan kuantum qubit memburuk, menyebabkan mereka terpisah satu sama lain.

Kesamaan dua mata uang dapat membantu memahami konsep ini. Jika dua koin identik diputar sekaligus dan kemudian dimatikan segera setelahnya, mereka mungkin berakhir dengan sisi yang sama, baik kepala atau ekor. Sinkronisasi antar koin ini dapat dibandingkan dengan keterikatan kuantum. Namun, jika koin terus berputar untuk jangka waktu yang lebih lama, mereka pada akhirnya akan kehilangan sinkronisasi dan tidak lagi berakhir dengan sisi yang sama – kepala atau ekor – menghadap ke atas.

Kehilangan sinkronisasi terjadi karena koin yang berputar secara bertahap kehilangan energi, terutama karena gesekan dengan meja, dan setiap koin melakukannya dengan cara yang unik. Di alam kuantum, gesekan, atau hilangnya energi karena interaksi dengan lingkungan, akhirnya mengarah pada dekoherensi kuantum, yang berarti hilangnya sinkronisasi antar qubit. Ini menghasilkan dephasing qubit, di mana fase keadaan kuantum (diwakili oleh sudut rotasi koin) berubah secara acak dari waktu ke waktu, menyebabkan hilangnya informasi kuantum dan membuat komputasi kuantum menjadi tidak mungkin.

Representasi yang efektif ditentukan sepenuhnya secara otomatis dan tidak didasarkan pada perkiraan atau asumsi yang terbentuk sebelumnya. Kredit: Alexey Vagov

Koherensi dan dinamika kuantum

Tantangan utama yang dihadapi banyak peneliti saat ini adalah mempertahankan koherensi kuantum untuk waktu yang lebih lama. Hal ini dapat dicapai dengan menjelaskan secara akurat evolusi keadaan kuantum dari waktu ke waktu, juga dikenal sebagai dinamika kuantum.

Ilmuwan dari MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials, bekerja sama dengan rekan dari Jerman dan Inggris, telah mengusulkan sebuah algoritma yang disebut Kompresi Otomatis Lingkungan Sewenang-wenang (ACE) sebagai solusi untuk mempelajari interaksi qubit dengan lingkungannya dan perubahan yang dihasilkan. dalam keadaan kuantum mereka dari waktu ke waktu.

Wawasan tentang dinamika kuantum

“Jumlah mode getaran atau derajat kebebasan yang hampir tak terbatas di lingkungan membuat komputasi dinamika kuantum menjadi sangat sulit. Memang, tugas ini melibatkan penghitungan dinamika sistem kuantum tunggal saat dikelilingi oleh triliunan lainnya. Perhitungan langsung tidak mungkin dalam hal ini kasus, karena tidak ada komputer yang dapat menanganinya.

Namun, tidak semua perubahan dalam lingkungan memiliki signifikansi yang sama: perubahan yang terjadi pada jarak yang cukup jauh dari sistem kuantum kita tidak dapat memengaruhi dinamikanya secara besar-besaran. Pembagian ke dalam derajat kebebasan lingkungan yang ‘relevan’ dan ‘tidak relevan’ terletak pada dasar metode kami,” kata Alexei Vagof, rekan penulis makalah, dan direktur MIEM HSE Center for Quantitative Metamaterials.

Interpretasi Feynman dan algoritma ACE

Menurut interpretasi mekanika kuantum yang diusulkan oleh fisikawan Amerika terkenal Richard Feynman, menghitung keadaan kuantum suatu sistem melibatkan menghitung jumlah dari semua cara yang mungkin di mana keadaan dapat dicapai. Penjelasan ini mengasumsikan bahwa partikel kuantum (sistem) dapat bergerak ke segala arah yang memungkinkan, termasuk maju atau mundur, kanan atau kiri, dan bahkan mundur dalam waktu. Probabilitas kuantum dari semua lintasan ini harus ditambahkan untuk menghitung keadaan akhir partikel.

Masalahnya adalah ada banyak kemungkinan lintasan bahkan untuk satu partikel, belum lagi seluruh lingkungan. Algoritme kami memungkinkan untuk mempertimbangkan hanya jalur yang berkontribusi signifikan terhadap dinamika qubit sambil menghilangkan jalur yang dapat diabaikan. Dalam metode kami, evolusi qubit dan lingkungannya ditangkap oleh tensor, yang merupakan matriks atau tabel angka yang menggambarkan keadaan seluruh sistem pada titik waktu yang berbeda. Kami kemudian hanya memilih bagian tensor yang relevan dengan dinamika sistem,” jelas Alexey Vagoff.

Kesimpulan: Implikasi dari algoritma ACE

Para peneliti menegaskan bahwa algoritma kompresi otomatis untuk lingkungan sewenang-wenang tersedia untuk umum dan diimplementasikan sebagai kode komputer. Menurut penulis, ini membuka kemungkinan yang sama sekali baru untuk perhitungan akurat dinamika sistem kuantum ganda. Secara khusus, metode ini memungkinkan untuk memperkirakan waktu hingga keterikatan Foton Pasangan dalam saluran telepon kuantum akan menjadi tidak terjerat, sejauh mana partikel kuantum dapat berteleportasi, atau berapa lama waktu yang diperlukan untuk qubit komputer kuantum kehilangan koherensi.

Referensi: “Simulasi Sistem Kuantum Terbuka dengan Kompresi Otomatis Lingkungan Acak” Oleh Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling, dan Eric M. Guger, 24 Maret 2022, Tersedia Di Sini. fisika alam.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9