Совершен прорыв в моделировании поведения квантовых частиц

Новые исследования в области квантовой теории, проводимые учеными в Школе физики Университета Сент-Эндрюса, могут трансформировать то, как ученые прогнозируют поведение квантовых частиц.

Квантовая теория является краеугольным камнем современной физики, объясняя поведение изолированных частиц, подобно электронам, которые вращаются вокруг атомов. Она показывает, что квантовые частицы обладают большим потенциалом для приложений, таких как мощные квантовые компьютеры, способные решать сложные задачи гораздо быстрее, чем обычные компьютеры.

В последние годы возможность использования состояний квантовых частиц для хранения информации стала реальностью в лабораториях. Это привело к разработке квантовых процессоров, состоящих из нескольких квантовых бит, «кубитов» — частиц, которые хранят конкретное квантовое состояние.

В отличие от битов на обычных компьютерах, которые могут быть либо нулем, либо единицей, кубит может находиться в «суперпозиции» нуля и единицы в одно и то же время. Если вычисления могут быть выполнены на этой суперпозиции, это позволяет решить различные проблемы, намного быстрее, чем на обычных компьютерах.

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, в котором основное внимание уделяется поведению отдельных кубитов, открывает возможность более точного моделирования следующего поколения квантовых процессоров и может позволить новое понимание квантовой механики и развитие мощных квантовых компьютеров.

Исследование, проведенное физиками-теоретиками, доктором Брендоном Ловеттом и Джонатаном Килингом, отметило, что, если реальные кубиты вели бы себя так же, как кубиты из учебников, то стремление построить квантовый компьютер реализовалось бы сравнительно легко. Однако, в отличие от моделей кубитов в учебниках, реальные кубиты никогда не являются действительно изолированными, они непрерывно взаимодействуют с огромным количеством других частиц в мире.

Это означает, что попытка создать математическую модель поведения кубита очень сложна, так как теперь нам также нужно следить за тем, что делает и остальная часть мира. Для этого явно требуется объем информации, который не может быть сохранен, даже на самых больших компьютерах, которые у нас есть. Чтобы этого избежать, часто используются простые модели взаимодействия между отдельными кубитами и остальным миром, но они могут пропустить важные критические эффекты.

«Наши исследования нашли новаторский новый способ хранения наиболее релевантной части информации, позволяющей точно описать поведение кубита даже на обычном ноутбуке. Эта работа не только открывает возможности более точного моделирования следующего поколения квантовых процессоров, но может дать нам совершенно новое представление о том, как работает квантовая механика» — говорят исследователи.

A. Strathearn et al. Efficient non-Markovian quantum dynamics using time-evolving matrix product operators, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-05617-3