Разработан точный метод диагностики неисправностей в квантовых устройствах

Новости МирТесен

Международная группа ученых из Университета Тохоку, Нараского института науки и технологий (NAIST) и Университета информационных технологий (Вьетнамский национальный университет, Хошимин) разработала инновационный и действенный способ анализа процессов, происходящих внутри квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры функционируют, используя квантовые операции, например, квантовые вентили, для воздействия на хрупкие квантовые состояния, что позволяет им решать сложные уравнения с огромной скоростью. Однако в реальных условиях работа квантовых компьютеров нередко отличается от идеальной из-за недостатков в оборудовании и нежелательных помех из окружающей среды. Для создания надежных квантовых машин ученым необходим точный инструмент, позволяющий определить, какие именно действия совершает квантовое устройство.

Обычно для решения этой задачи используют квантовую томографию процессов (Quantum Process Tomography, QPT), однако традиционная QPT становится дорогостоящей при увеличении масштаба системы, поскольку количество требуемых измерений и вычислений экспоненциально возрастает с увеличением числа кубитов. Для преодоления этой трудности, исследователи создали новую методику, названную томографией процессов на основе компиляции (Compilation-based Quantum Process Tomography, CQPT), принцип работы в журнале Advanced Quantum Technologies.

Основная концепция CQPT заключается в следующем: метод стартует с известного квантового состояния, затем к нему применяется обучаемый алгоритм, за которым следует неизвестный процесс. После этого происходит обратное действие, позволяющее оценить, насколько близко конечный результат соответствует исходному квантовому состоянию. Данная модель, основанная на принципе «возврата к исходному сигналу», оптимизируется для восстановления скрытых квантовых процессов. Принципиально важно, что структура спроектирована таким образом, что оптимизация может быть выполнена с использованием лишь одного результата измерения для каждого входного состояния.

Были созданы две дополнительные версии CQPT: одна использует операторы Крауса, а другая основана на матрице Чоя. Объединив эти два подхода, CQPT позволяет обрабатывать разнообразные квантовые операции и зашумленные процессы, типичные для современных квантовых устройств. По мнению доктора Ле Бин Хо, для будущего квантовых вычислений и квантового зондирования необходимы эффективные и масштабируемые методы описания квантовых процессов, поскольку они критически важны для проверки правильности работы квантовых вентилей и схем, выявления аппаратных ошибок, калибровки устройств и поддержки квантовой коррекции ошибок.

По мнению доктора Ле, CQPT может служить полезной заменой традиционной квантовой томографии процессов, особенно при работе с крупными квантовыми системами, где полная томография становится невозможной из-за значительных затрат. Данное исследование подтверждает возможность применения CQPT посредством надежного теоретического анализа и численного моделирования, что открывает перспективный путь к повышению эффективности квантовой томографии. В дальнейшем исследователи намерены сосредоточиться на адаптации метода для практического использования в реальных экспериментах, планируя разработать его специализированные версии и повысить его надёжность.