Исследователи Университета МИСИС и Российского квантового центра (РКЦ) разработали модель управления сложными квантовыми системами, которая открывает новые возможности для более быстрой передачи информации и позволяет контролировать динамику системы. Предложенная методика полезна для снижения количества ошибок и подавления шумов в квантовых устройствах. С ее помощью можно будет изучать различные эффекты в физике многих тел, а также искать новые квантовые материалы. Модификация модели позволит наблюдать за системами на макроскопическом уровне, что открывает путь к управлению квантовыми системами между различными фазами материи.
Прогресс в области квантовых технологий выявил множество сложных инженерных, математических и вычислительных задач. Одной из них является квантовое оптимальное управление 一 настройка регулирующих сигналов для достижения желаемых результатов в квантовых системах. Однако в квантовых системах с большим числом частиц возникают трудности. Это связано с тем, что моделирование квантовой динамики многих тел требует больших ресурсов, растущих вместе с увеличением числа параметров или переменных, которые могут изменяться. Это могут быть, например, положение частицы, ее скорость и другие, так называемые, степени свободы. Для настройки управляющего сигнала используются методы оптимизации, требующие многократного моделирования, что усложняет задачу.
Хотя решить задачи управления многими телами в квантовых системах трудно, их возможно решить хотя бы частично. Ученые НИТУ МИСИС и РКЦ разработали упрощенные модели — «цифровые двойники» квантовых систем — которые эффективно и точно отслеживают динамику подсистем.
«Поиск оптимального управления для квантовых систем — известная своей сложностью задача. Мы разработали метод построения „цифровых двойников“ квантовых систем, которые значительно проще позволяют искать эффективное воздействие. Наша работа имеет важное значение для разработки квантовых процессоров и квантовых симуляторов», 一 сказал Алексей Федоров, PhD, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.
Этот метод позволяет находить оптимальные последовательности операций таким образом, чтобы добиться желаемых результатов, например, менять направление локальной динамики или передавать информацию. Это позволяет автоматически находить эффективные стратегии управления в сложных системах взаимодействующих частиц.
«Мы фокусируемся на использовании методов для предотвращения состояния теплового равновесия с окружающей средой, так как это мешает реализации квантовых алгоритмов для вычислений и моделирования. Нам важно реализовать когерентное управление, когда колебания происходят согласованно и синхронно. Кроме того, мы обнаружили обобщенные последовательности спинового эха для системы в локализованной фазе многих тел, т.е. разработанный нами подход позволяет исследовать интересные явления в квантовой материи. Мы ожидаем, что наш подход может быть полезен для текущих экспериментов с шумными квантовыми устройствами промежуточного масштаба», 一 отметил инженер лаборатории квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Максим Гавреев.
Подробные результаты описаны в журнале Physical Review Research (Q1). Исследование проведено при поддержке грантов Российского научного фонда (проект № 19-71-10092) и стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» (проект № К1-2022-027).
