量子コンピューターはノイズを介して相転移を検出することができました

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ビデオ: 【解説】量子コンピューター 2023, 2月
量子コンピューターはノイズを介して相転移を検出することができました
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Anonim
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ロシアの物理学者は、偏光キュービットを備えたフォトニックコンピューターで量子変分アルゴリズムのノイズ耐性を実験的に実証しました。彼らはその助けを借りて、素粒子の相互作用のモデルで量子相転移を計算し、ノイズの多い測定の場合にそれを区別する可能性を監視しました。この作品は、ジャーナルApplied PhysicsLettersに掲載されました。

量子コンピューターだけが実行できるよく知られた量子アルゴリズムに加えて、科学者たちは「今ここで」量子シミュレーターを使用する他の方法を探しています。そのような機能の1つは、量子ハイブリッド変分アルゴリズムです。彼らの狡猾さは「ハイブリッド」という言葉にあります。問題を解決するために、量子コンピューターと古典的なコンピューターの両方が使用され、それぞれが実際のサブ問題を解決します。最も単純で最も一般的な変分アルゴリズムは、システムのエネルギーの最小値を見つけることができます(英語の文献では、変分量子固有値ソルバーまたはVQEと呼ばれています)。

どんな問題も量子言語に翻訳して、あるエネルギーを持った状態の物理システムと見なすことができ、問題の解決策は、システムのエネルギーが最小であるようなシステムの状態になります。ハイブリッドアルゴリズムは、量子プロセッサを使用して、問題の解決策となるさまざまな状態を準備します。古典的な電卓は、特定の状態がどのようなエネルギーを持っているかをチェックし、次に準備する状態を量子に伝えます。量子状態の段階的な変化(そのため名前)により、最小のエネルギーで目的の状態を見つけることができます。

スコルコボ研究所とモスクワ州立大学量子技術センターの物理学者は、ジェイコブD.ビアモンテの指導の下、素粒子系の対称性の変化をシミュレートするために、偏光キュービットを備えたフォトニックプロセッサにVQEを実装しました。科学者は、システム内のさまざまなノイズレベルでアルゴリズムを実行し、アルゴリズムがノイズに対してロバストであることを示しました。さらに、彼らは相転移の時点でアルゴリズムの振る舞いの特徴を検出することができました。

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実験の設置図。 LD-レーザーダイオード、HWP、QWP-半波長板と1/4波長板、LCVR-ノイズ源、PPKTP-非線形結晶。青は405ナノメートルの波長のレーザーダイオードからのポンピングを示し、赤は自発的パラメトリック散乱のプロセス後の単一光子、対角線のある正方形-偏光ビームスプリッター、黒の線-ファイバー

アルゴリズムを実験的に実装するためのフォトニック量子コンピューターは、偏光が絡み合った光子のソースと状態準備測定回路の2つの主要部分で構成されていました。エンタングルされた光子のペアを生成するために、非線形結晶での自発的パラメトリック散乱(SPR)の効果がよく使用されます。偏光によって光子を混乱させるために、著者らは干渉計の内部に非線形結晶を配置し、それを両側からポンピングしました。レーザーダイオードからのポンプビームは、ビームスプリッターでの偏光に応じて分割されます(水平偏光Hの放射が通過します。垂直Vから反射されます)そして2つの反対側から結晶に当たります。パラメトリック散乱の結果、異なる偏光を持つ2つの光子が結晶から各方向に出現します。透過ビームからの1対の光子は、偏光ビームスプリッターに当たると、1つの光子(H偏光)が分割されるように分割されます。それを通過して遠方のファイバに入り、2番目(V)がずれて隣のファイバに移動します。結晶がもう一方の端からポンピングされたときに生まれたペアの場合、状況は逆になります。水平に偏光した光子が近くのファイバーに当たり、垂直に偏光した光子が遠くのファイバーに当たります。対生成の確率は小さく、これがどちらの方向に発生するかは不明であるため、どの光子がどのファイバーにあるかを予測することは不可能です。ただし、水平偏光の光子がフィラメントの1つに到達すると、もう1つのフィラメントに垂直偏光で到達し、その逆も同様であることが確実に知られています。これは、光子が偏光に絡まっていることを意味します。

2番目の部分は、フィラメントから放出される光子の偏光を制御する電動半波長板と1/4波長板で構成されています。プレートの後には、偏光ビームスプリッターがあります。これは、最初の部分と同様に、水平偏光と垂直偏光を空間的に分離し、それらを検出器に向けます。このスキームでは、システムの状態は両方のキュービットの偏光によって記述され、システムのエネルギーは検出器によって測定されます。エネルギー値は古典的なプロセッサによって読み取られ、電動プレートは次に調理する状態を通知します。

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秩序パラメーターの質量への依存性、左側-1キュービットのノイズ、右側-2つ。赤い線はノイズのない古典的なコンピューターでのアルゴリズムのシミュレーションのデータであり、残りの実線の曲線はノイズがあり、矢印はノイズレベルの増加の方向を示しています。ポイントは実験結果です。塗りつぶされた領域-実験ポイントのノイズレベルに対して計算

著者は、シュウィンガーハミルトニアンによって記述されたシステムをモデル化しました。システム内の粒子の質量が変化すると、その対称性が変化します。これは、秩序パラメーターをよく表しています。0から1まで変化します。質量ごとに、独自のハミルトニアンが得られ、その最小エネルギーが変分アルゴリズムによって求められます。 。科学者たちは、さまざまな質量の秩序パラメーターの分析依存性を、古典的なコンピューターでのシミュレーションとアルゴリズムの結果と比較しました。彼らは、秩序パラメーターが0.5である質量に近い質量の理論と実験との不一致を発見しました(量子相転移のグラフはそれに関して対称です)。さらなる調査により、このポイントはアトラクタとして機能することが示されました。このポイントの近くでは、アルゴリズムがトラップされ、正しい値に到達するために抜け出すことができなくなります。この動作はVQEの機能であり、標準的な方法で処理するか(従来のアルゴリズムの動作、アルゴリズムが開始する初期状態を変更する)、または別の変分アルゴリズムを使用することができます。

それにもかかわらず、VQEアルゴリズムは、システムにノイズが存在する場合でも良好に機能しました。研究者たちは、ノイズ源としてガイド付き波長板を使用しました。これにより、測定直前に光子の偏光が変化しました。これにより、非理想的な測定に対するアルゴリズムの反応を確認することが可能になりました。ノイズ源を制御する機能により、ノイズの程度を0(偏光は変化しなかった)から1(初期偏光に関する情報がなかった)に変更することが可能になりました。一方のチャネルの最大ノイズレベルでも、アルゴリズムによって相転移を確認でき、両方のチャネルにノイズがある場合でも、0.5を超えるレベルに耐性があることが判明しました。

物理学者は、説明した回路をフォトニック集積チップに置き換えて、より複雑な量子変分アルゴリズムを研究および実装することにより、フォトニックコンピューターを拡張することを計画しています。

中国の物理学者はすでにボソンサンプリングにフォトニック集積回路を使用しており、それらを使用してコンピューターの量子ビット数を増やす方法を示しました。また、他の研究者は、体積光学系を使用したフォトニックプロセッサで量子超越性を示すことさえできました。

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