Физические особенности повышают эффективность квантового моделирования

Представленная в двух публикациях работа квантовой группы из Лос-Аламосской национальной лаборатории показывает, что физические свойства квантовых систем позволяют использовать более быстрые методы моделирования.

«Алгоритмы, основанные на этой работе, потребуются для первой полномасштабной демонстрации квантового моделирования на квантовых компьютерах», — сказал Роландо Сомма, квантовый теоретик из Лос-Аламоса и соавтор двух статей.

Квантовые состояния с низкой энергией — ключ к более быстрому квантовому моделированию

В статье «Гамильтоново моделирование в низкоэнергетическом подпространстве» показано, что сложность алгоритма квантового моделирования зависит от соответствующей шкалы энергий, а не от полного диапазона энергий системы, как считалось ранее. Фактически, некоторые квантовые системы могут иметь состояния с неограниченной энергией, поэтому моделирование окажется невозможным даже на больших квантовых компьютерах.

Это новое исследование показало, что если квантовая система исследует только состояния с низкой энергией, ее можно смоделировать с небольшой сложностью на квантовом компьютере без ошибок, приводящих к сбою моделирования.

«Наша работа обеспечивает путь к систематическому изучению квантового моделирования при низких энергиях, которое потребуется для приближения квантового моделирования к реальности», — сказал Бурак Сахиноглу, физик-теоретик из Лос-Аламоса и ведущий автор статьи, опубликованной в журнал Quantum Information, журнал-партнер природы.

«Мы показываем, что на каждом этапе алгоритма вы никогда не ускользнете от очень больших энергий», — сказал Сомма. «Есть способ написать свой квантовый алгоритм, чтобы после каждого шага вы все еще находились в своем низкоэнергетическом подпространстве».

Авторы заявили, что их исследования применимы к большому классу квантовых систем и будут полезны при моделировании квантовых теорий поля, которые описывают физические явления в их низкоэнергетических состояниях.

Быстрое продвижение квантовых систем обходит принцип неопределенности время-энергия

Другая статья «Быстрая квантовая эволюция», созданная в сотрудничестве с Шоужен Гу из Калифорнийского технологического института, бывшим учеником летней школы квантовых вычислений в Лос-Аламосе, опубликована в Quantum. Он показывает три квантовые системы, в которых алгоритм квантового моделирования может работать быстрее — а в некоторых случаях экспоненциально быстрее — чем пределы, предполагаемые принципом неопределенности времени-энергии.

«В квантовой механике — наивысшая точность, которая может быть достигнута при измерении шкалы энергии системы, в общем, с обратной величиной длительности измерения», — сказал Сомма.

«Однако этот принцип применим не ко всем квантовым системам, особенно к тем, которые имеют определенные физические особенности», — сказал Сахиноглу.

Авторы показали, что, когда этот принцип игнорируется, такие квантовые системы также можно очень эффективно или быстро моделировать на квантовых компьютерах.