Учеты из Университета МИСИС разработали подходы для моделирования запутанных многочастичных квантовых систем с большим числом состояний. Ранее считалось, что классические компьютеры не обладают достаточной мощностью для таких расчетов, поэтому исследователи обратились к квантовым процессорам и многоуровневым носителям информации — кудитам.
Моделирование сложных структур, где одновременно взаимодействует множество частиц, необходимо для создания сверхпроводников, новых типов электронных устройств, а также для изучения магнетизма и поведения материалов в экстремальных условиях. В статистической физике для этого часто используется модель Поттса, которая является обобщением модели Изинга. Однако при увеличении числа частиц и уровней в расчетах вычислительной мощности обычных компьютеров становится недостаточно, что делает актуальным квантовое моделирование.
Вместо того чтобы упрощать систему до двухуровневых кубитов (как это делают в обычных квантовых компьютерах), исследователи МИСИС предложили использовать кудиты. Это те же квантовые носители информации, но с бóльшим количеством уровней. Такая «многоуровневость» позволяет описывать сложные процессы напрямую, без лишних упрощений и искажений.
Сотрудники НИТУ МИСИС предложили квантовый алгоритм и два варианта разложения сложной квантовой динамики на простые операции, которые можно реализовать на существующих кудитных квантовых процессорах. Один подход задействует вентиль Мельмера–Соренсена для ионных квантовых компьютеров и вспомогательный уровень, другой — вентиль на световом сдвиге.
Как объяснил инженер лаборатории квантовых информационных технологий Максим Гавреев, использование кудитов дает возможность моделировать сложные квантовые процессы без необходимости сводить их к упрощенным двухуровневым моделям.
Кроме того, предложенный метод позволяет засечь так называемые динамические квантовые фазовые переходы — резкие изменения в поведении системы с течением времени.
Директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС Алексей Федоров отметил, что результаты открывают путь к более точным и компактным квантовым симуляциям на уже существующих платформах. По его словам, это важно для развития квантовых технологий в ближайшие годы. Он также подчеркнул, что исследователи предложили оригинальный квантовый алгоритм именно на основе кудитов.
Читайте также: «Нейронное сжатие текстур решит проблему нехватки видеопамяти у геймеров».