Цифровой двойник поможет управлять квантовыми системами

Ученые из ООО «Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий» (Сколково) и Национального исследовательского технологического университета МИСИС (Москва) разработали «цифровой двойник» квантовой системы, который помогает понять, как ею эффективно управлять. Для того, чтобы сконструировать цифровой двойник, исследователи построили упрощенную модель квантовой системы. Они сделали это с помощью тензоров — математических объектов, применяемых в квантовой физике для описания совокупности квантовых состояний всех кубитов системы. Если в системе много объектов, тензорное выражение будет обладать большой размерностью, и работать с ним будет трудно, так как придется хранить в памяти и производить операции со сложным выражением. Однако тензор, описывающий квантовую систему, можно разбить на совокупность тензоров меньшей размерности. В результате таких «разбиений» сложного на простое формируется тензорная сеть. Тензорные сети позволяют эффективно имитировать квантовые системы, передавая их важнейшие свойства, в том числе согласованность объектов в процессе работы. Таким образом, тензорные сети создают цифровой двойник квантового компьютера — его модель, с которой можно работать на классическом компьютере.

Исследователи использовали цифровой двойник на основе тензорных сетей, чтобы найти оптимальное управляющее воздействие на квантовую систему. Цифровой двойник удобен для этого, поскольку помогает снизить необходимое количество ресурсов для поиска наилучшего решения: вместо работы с системами, у которых нужно учитывать несколько миллионов состояний, достаточно компактных представлений с несколькими сотнями параметров. Предлагаемые протоколы управления, например, могут позволить скорректировать часть ошибок, обусловленных взаимодействием квантовой системы с внешним миром, тем самым «навести резкость» на квантовые шумовые искажения.

Ученые с помощью цифрового двойника подобрали оптимальный протокол управления квантовой системой, который «программирует» передачу информации внутри квантовой цепочки частиц: от первой частицы до последней.