Новый метод позволяет точно диагностировать ошибки в работе квантовых устройств
Международная группа исследователей из Университета Тохоку, Нараского института науки и технологий (NAIST) и Университета информационных технологий (Вьетнамский национальный университет, Хошимин) предложила новый эффективный метод диагностики того, что происходит внутри квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры работают, применяя квантовые операции, такие как квантовые вентили, к деликатным квантовым состояниям, что позволяет им решать сложные уравнения с огромной скоростью. Однако на реальном оборудовании работа квантовых компьютеров часто отклоняется от идеального поведения из-за несовершенства устройств и нежелательного шума из окружающей среды. Для создания надежных машин исследователям необходим точный способ определения того, что именно делает квантовое устройство.
Стандартным методом для этого является квантовая томография процессов (Quantum Process Tomography, QPT), но традиционная QPT становится очень затратной по мере роста системы, поскольку количество необходимых измерений и вычислений быстро увеличивается с числом кубитов. Чтобы решить эту проблему, команда разработала новую структуру под названием томография процессов на основе компиляции (Compilation-based Quantum Process Tomography, CQPT), работа которой в журнале Advanced Quantum Technologies.
Центральная идея CQPT проста: метод начинается с известного входного квантового состояния, применяет обучаемый процесс, следующий за неизвестным процессом, а затем работает в обратном направлении, чтобы оценить, насколько хорошо конечный результат возвращается к исходному входному состоянию. Эта модель "возврата к входному сигналу" оптимизируется для реконструкции лежащих в основе квантовых процессов. Важно, что структура разработана таким образом, что оптимизация может быть удобно выполнена с использованием только одного результата измерения на каждое входное состояние.
Исследователи разработали две дополнительные версии CQPT: одну на основе операторов Крауса, а другую — на основе матрицы Чоя. Вместе эти два подхода позволяют CQPT обрабатывать широкий спектр квантовых операций и зашумленных процессов, характерных для современных квантовых устройств. По словам доктора Ле Бин Хо, эффективные и масштабируемые методы описания квантовых процессов важны для будущего квантовых вычислений и квантового зондирования, поскольку они необходимы для проверки корректности работы квантовых вентилей и схем, выявления аппаратных ошибок, калибровки устройств и поддержки квантовой коррекции ошибок.
Доктор Ле полагает, что CQPT может стать практической альтернативой стандартной квантовой томографии процессов, особенно для больших квантовых систем, где полная томография уже нереалистична из-за высокой стоимости. Текущее исследование демонстрирует осуществимость CQPT с помощью надежного теоретического анализа и численного моделирования, предлагая многообещающий способ сделать квантовую томографию более эффективной. Следующие шаги исследователей будут связаны с решением задачи внедрения метода в реальных экспериментах, для чего они планируют сосредоточиться на разработке версий метода, готовых к использованию на аппаратном уровне, и повышении его устойчивости.