Российские физики усовершенствовали протоколы квантовой томографии

Исследователи Университета МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ) протестировали более точный способ анализа данных для квантовой томографии — метод получения информации о квантовых состояниях. Он продемонстрировал высокую вычислительную эффективность и надежность по сравнению с традиционными подходами: анализ данных проходит быстрее и точнее.

С каждым днем растет мощность квантовых процессоров, поэтому особо важно оценить качество работы таких устройств. Основной метод оценки квантовых состояний — квантовая томография. По аналогии с медицинской томографией, она измеряет квантовые состояния в различных «срезах», по которым восстанавливается полная информация. Её широко применяют в квантовой физике, но в больших системах результат становится громоздким, снижая эффективность. Более того, необходимо оценивать количество измерений, на основании которых можно сделать вывод о качестве работы устройства.

«В квантовой томографии есть доверительные интервалы, т.е. диапазоны значений, с достаточно высокой вероятностью содержащие истинное среднее значение некоторой наблюдаемой для восстанавливаемого квантового состояния. Проблема в том, что существующие способы получения таких интервалов, являются либо слишком затратными с точки зрения требуемых вычислительных ресурсов, как например, методы Монте-Карло, либо дают строгие, но слишком пессимистические оценки, как например, метод доверительных политопов», — отметил к.ф.-м.н. Евгений Киктенко, ведущий эксперт научного проекта лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС.

Ученые из НИТУ МИСИС и РКЦ разработали точный метод анализа данных квантовой томографии. С его помощью также можно оценить разницу между фактическим и желаемым квантовыми состояниями. Этот подход пригоден для практического использования при характеристике различных типов квантовых систем.

«Мы показали, что ограниченного набора данных квантовой томографии и простого численного метода на основе линейной инверсии достаточно, чтобы оценить насколько реально приготавливаемое состояние отличается от целевого. Так можно оценивать не только квантовые состояния, но и качество работы квантовых вентилей — элементарных логических преобразователей квантового компьютера. Метод проверен на разных протоколах квантовой томографии и показал стабильную работу и точные результаты. Доверительные интервалы были очень близки к идеальным, как для томографии квантовых состояний, так и для томографии квантовых процессов при различных значениях уровня значимости», — сказал Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

Подробные результаты описаны в научном журнале Physical Review A (Q1). В дальнейшем, исследователи планируют применить новый метод для характеризации квантовых процессоров, разрабатываемых в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям. Ожидается, что он позволит получить более точную информацию о шумах, присутствующих в различных архитектурах квантовых процессоров.

Исследование выполнено в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» (проект К1-2022-027) и при поддержке грантов Российского научного фонда (№ 19-71-10091).


Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»