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).

Фото: МИСИС