Scienty

Фото: img.freepik.com

Мария Макарова, молодая математик из Петрозаводска, завершила обучение в аспирантуре КарНЦ РАН и итальянском Университете Тренто. В настоящее время она работает на пересечении математики и информатики, занимаясь вопросами квантовых вычислений. Квантовые компьютеры представляют собой перспективное направление развития, фундамент которого формируется в настоящее время, однако эти инновационные устройства пока остаются достаточно уязвимыми. Физические ограничения и сложность взаимодействия квантовых частиц приводят к дорогостоящим ошибкам в процессе вычислений. Специалисты со всего мира, включая математиков из ИПМИ КарНЦ РАН, работают над задачами по оптимизации этих вычислений.

В журнале Lobachevskii Journal of Mathematics вышла научная статья сотрудников ИПМИ КарНЦ РАН Марии Макаровой (Мальцевой) и Александра Румянцева и итальянского ученого Энрико Бланзиери, в которой предложен способ оптимизации работы квантовой цепи. Ученые по-новому использовали применяемые в квантовых технологиях подходы и методы и получили успешный результат. Он позволяет задействовать меньшее число вспомогательных операций, чреватых ошибками, что в перспективе может помочь повысить точность и надежность квантовых вычислений и увеличить их скорость.

Квантовые технологии базируются на принципах квантовой механики, которая изучает поведение материи на уровне элементарных частиц. На практике квантовые системы находят применение в криптографии для защиты информации, в оптимизации транспортных потоков в крупных городах, а также в обучении систем искусственного интеллекта. Существенный потенциал они демонстрируют и в медицине: от создания инновационных лекарственных препаратов и вакцин до расшифровки генетического кода.

– Квантовые системы обладают потенциалом для кардинального изменения методов и скорости передачи и обработки больших объемов данных. В качестве иллюстрации можно привести задачу размещения, где необходимо найти оптимальный вариант рассадки восьми гостей за столом. Классический компьютер для решения этой задачи должен последовательно перебрать все возможные комбинации, что займет миллионы лет. Квантовый компьютер способен выполнить эту задачу за один цикл, – пояснила Мария Макарова, младший научный сотрудник Института прикладных математических исследований (ИПМИ) КарНЦ РАН.

Несмотря на это, время квантовых вычислений еще не наступило. Специалисты в области физики, математики и информатики из разных стран трудятся над повышением эффективности их функционирования.

В квантовых вычислениях основной единицей информации является кубит. Он представляет собой аналогию бита, используемого в классических вычислениях, которые обеспечивают работу программ в наших устройствах. Однако ключевое различие определяет значительную разницу в эффективности работы классических и квантовых систем. В то время как бит может принимать только одно из двух значений – 0 или 1 (что лежит в основе двоичной системы счисления, известной многим со школьной программы), кубит одновременно существует в суперпозиции всех возможных состояний, включая 0, 1 и множество их комбинаций. Это позволяет системе за один цикл выполнять в тысячи раз больше вычислений, чем традиционное программное обеспечение.

Объем кубитов, составляющих память квантового компьютера, ограничен. Наиболее продвинутый в России разработан в Физическом институте им. Лебедева РАН и включает 50 кубитов. В настоящее время эти частицы достаточно хрупки, в частности, они крайне восприимчивы к воздействию внешней среды. Изменения температуры и другие факторы способны вызвать потерю квантовых характеристик, что негативно сказывается на точности и надежности вычислений. В конечном счете, сложность системы и ее компонентов неизбежно приводит к возникновению ошибок.

Для осуществления определенных действий команды передаются на кубиты посредством микроскопических устройств, известных как вентили. Кубиты и вентили формируют квантовые цепи, которые и обеспечивают выполнение поставленной задачи.

– В квантовых системах существуют определенные ограничения, обусловленные их уникальной структурой, что подразумевает невозможность произвольного расположения кубитов. Часто применяется «архитектура ближайшего соседа», позволяющая проводить операции только над кубитами, расположенными по соседству. Для взаимодействия удаленных друг от друга кубитов используются операции обмена, которые меняют их позиции. Однако увеличение числа таких операций повышает вероятность возникновения ошибок. Поэтому мы стараемся сократить их количество и оптимизируем последовательность квантовых операций с учетом числа операций обмена, – рассказала Мария Макарова.

Для достижения этой цели ученые применяют метод переупорядочения кубитов. Хотя речь идет о квантовых компьютерах, обычно для этого процесса используют классическое оборудование и программное обеспечение, основанные на полупроводниковых технологиях. Авторы статьи в рамках нового подхода предлагают использовать квантовое оборудование, в частности устройство квантового отжига. Эволюция системы при реализации квантового отжига описывается уравнением, решение которого позволяет определить оптимальное расположение кубитов с наименьшим количеством перестановок. Метод получил свое название по аналогии с металлургией, где отжиг – это вид термообработки, заключающийся в нагреве сплава до определенной температуры с последующим медленным охлаждением. В процессе охлаждения металла расположение частиц переходит в устойчивое состояние с минимальным уровнем энергии.

– По мнению специалистов, любая физическая система стремится к состоянию с минимальным уровнем энергии. Даже при квантовом отжиге система претерпевает постепенные изменения, однако в конечном итоге возвращается к своему основному состоянию. Ученые выбирают такую конфигурацию, которая потребует наименьших затрат энергии для достижения этой цели.

Методы переупорядочения кубитов и квантового отжига уже давно известны и получили широкое применение в области квантовых вычислений. Уникальность исследования, проведенного математиками из Института прикладной математики им. В.А. Ураева КарНЦ РАН, заключается в объединении этих подходов для оптимизации квантовой схемы, что позволяет снизить количество ошибок и увеличить производительность вычислений.

Новый метод был протестирован исследователями на облачном квантовом компьютере, разработанном в Канаде компанией D-Wave. Полученные данные продемонстрировали, что оптимизация позволила сократить число операций обмена и обеспечить высокую степень успешности.

– По данным численных экспериментов, результаты оптимизации оказались сопоставимы с классическими программными решениями, а в отдельных ситуациях – даже превосходят их. Это демонстрирует перспективность использования машин на основе квантового отжига для оптимизации квантовых цепей, что делает наше исследование принципиально новым, – подытожила Мария Макарова.

Информация предоставлена Научной службой коммуникаций Карельского научно-исследовательского центра РАН