Algoritmo pionieristico per il calcolo accurato dei Qubit

Il calcolo quantistico pratico è un altro passo avanti.

I ricercatori hanno introdotto un nuovo algoritmo chiamato Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) progettato per studiare le interazioni dei qubit con l’ambiente circostante e i successivi cambiamenti nel loro stato quantico. Semplificando il calcolo della dinamica quantistica, questo algoritmo, basato sull’interpretazione di Feynman della meccanica quantistica, offre nuovi modi per comprendere e sfruttare i sistemi quantistici. Le potenziali applicazioni includono i progressi nella telefonia quantistica e nell’informatica, fornendo previsioni più accurate sulla coerenza quantistica e sull’entanglement.

I computer convenzionali usano i qubit, rappresentati da zero e uno, per trasmettere informazioni, mentre i computer quantistici usano invece bit quantistici (qubit). Analogamente ai bit, i qubit hanno due stati o valori principali: 0 e 1. Tuttavia, a differenza di un bit, un qubit può esistere in entrambi gli stati contemporaneamente.

Anche se questa può sembrare un’ironia sconcertante, può essere spiegata da una semplice analogia con una moneta. Un bit classico può essere rappresentato come una moneta distesa con una testa o croce (uno o zero) rivolta verso l’alto, mentre un qubit può essere pensato come una moneta rotante, che ha anche testa e croce, ma che sia testa o croce può essere determinato non appena smette di girare, cioè perde il suo stato originale.

Quando una moneta rotante si ferma, può servire come analogia per un’analogia quantistica, in cui viene determinato uno dei due stati di un qubit. In Statistiche quantitative, diversi qubit devono essere collegati tra loro, ad esempio, gli stati 0(1) di un qubit devono essere associati in modo univoco agli stati 0(1) di un altro qubit. Quando gli stati quantistici di due o più oggetti diventano interconnessi, si parla di entanglement quantistico.

Sfida dell’entanglement quantistico

La principale difficoltà con il calcolo quantistico è che i qubit sono circondati da un ambiente e interagiscono con esso. Questa interazione può causare il deterioramento dell’entanglement quantistico dei qubit, provocandone la separazione l’uno dall’altro.

La somiglianza di due valute può aiutare a comprendere questo concetto. Se due monete identiche vengono fatte girare contemporaneamente e poi spente subito dopo, potrebbero finire con lo stesso lato rivolto verso l’alto, testa o croce. Questa sincronizzazione tra monete può essere paragonata all’entanglement quantistico. Tuttavia, se le monete continuano a girare per un periodo di tempo più lungo, alla fine perderanno la sincronizzazione e non finiranno più con lo stesso lato – testa o coda – rivolto verso l’alto.

La perdita di sincronizzazione si verifica perché le monete che girano perdono gradualmente energia, principalmente a causa dell’attrito con il tavolo, e ogni moneta lo fa in un modo unico. Nel regno quantico, l’attrito, o la perdita di energia dovuta all’interazione con l’ambiente, alla fine porta alla decoerenza quantistica, il che significa una perdita di sincronizzazione tra i qubit. Ciò si traduce in una sfasatura dei qubit, in cui la fase dello stato quantico (rappresentata dall’angolo di rotazione della moneta) cambia in modo casuale nel tempo, causando una perdita di informazioni quantistiche e rendendo impossibile il calcolo quantistico.

La rappresentazione effettiva è determinata in modo del tutto automatico e non si basa su approssimazioni o ipotesi preconcette. Credito: Alexei Vagov

Coerenza quantistica e dinamica

La sfida principale che molti ricercatori devono affrontare oggi è mantenere la coerenza quantistica per periodi più lunghi. Ciò può essere ottenuto descrivendo accuratamente l’evoluzione di uno stato quantistico nel tempo, nota anche come dinamica quantistica.

Gli scienziati del MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials, in collaborazione con colleghi di Germania e Regno Unito, hanno proposto un algoritmo chiamato Automated Compression of Arbitrary Environments (ACE) come soluzione per studiare l’interazione dei qubit con il loro ambiente e le conseguenti modifiche nel loro stato quantico nel tempo.

Uno sguardo alla dinamica quantistica

“Il numero quasi infinito di modalità di vibrazione o gradi di libertà nell’ambiente rende particolarmente difficile il calcolo della dinamica quantistica. In effetti, questo compito comporta il calcolo della dinamica di un singolo sistema quantistico mentre è circondato da trilioni di altri. Il calcolo diretto è impossibile in questo caso, poiché nessun computer può gestirlo.

Tuttavia, non tutti i cambiamenti nell’ambiente hanno lo stesso significato: quelli che si verificano a una distanza sufficiente dal nostro sistema quantistico non sono in grado di influenzare le sue dinamiche in modo sostanziale. La divisione in gradi di libertà ambientali “rilevanti” e “irrilevanti” è alla base del nostro metodo”, afferma Alexei Vagof, coautore dell’articolo e direttore del MIEM HSE Center for Quantum Metamaterials.

Interpretazione di Feynman e algoritmo ACE

Secondo l’interpretazione della meccanica quantistica proposta dal famoso fisico americano Richard Feynman, il calcolo dello stato quantistico di un sistema implica il calcolo della somma di tutti i possibili modi in cui lo stato può essere raggiunto. Questa spiegazione presuppone che una particella quantistica (il sistema) possa muoversi in tutte le direzioni possibili, inclusi avanti o indietro, destra o sinistra e persino indietro nel tempo. Le probabilità quantistiche di tutte queste traiettorie devono essere sommate per calcolare lo stato finale della particella.

Il problema è che ci sono molte traiettorie possibili anche per una singola particella, per non parlare dell’intero ambiente. Il nostro algoritmo consente di considerare solo i percorsi che contribuiscono in modo significativo alla dinamica dei qubit eliminando quelli trascurabili. Nel nostro metodo, l’evoluzione del qubit e del suo ambiente viene catturata dai tensori, che sono matrici o tabelle di numeri che descrivono lo stato dell’intero sistema in diversi momenti. Selezioniamo quindi solo quelle parti dei tensori che sono rilevanti per la dinamica del sistema”, spiega Alexey Vagov.

Conclusione: implicazioni dell’algoritmo ACE

I ricercatori affermano che l’algoritmo di compressione automatizzato per ambienti arbitrari è pubblicamente disponibile e implementato come codice informatico. Secondo gli autori, apre possibilità completamente nuove per il calcolo accurato della dinamica di più sistemi quantistici. In particolare, questo metodo consente di stimare il tempo fino all’entanglement Fotone Le coppie nelle linee di telefonia quantistica diventeranno districate, che è quanto una particella quantistica può teletrasportarsi, o quanto tempo può impiegare i qubit di un computer quantistico a perdere coerenza.

Riferimento: “Simulazione di sistemi quantistici aperti mediante compressione automatizzata di ambienti casuali” di Moritz Sigurek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling ed Eric M. Guger, 24 marzo 2022, Disponibile Qui. fisica della natura.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9