Основные состояния — это состояния квантовых систем с минимально возможной энергией. Квантовые компьютеры всё чаще используются для анализа основных состояний интересных систем, что, в свою очередь, может помочь в разработке новых материалов, химических соединений, фармацевтических препаратов и других ценных продуктов.
Надежная подготовка основных квантовых состояний была давней целью научного сообщества физиков. Один из методов квантовых вычислений для подготовки основных состояний и других желаемых состояний известен как адиабатическая подготовка состояний.
Этот процесс начинается с начального гамильтониана — математического оператора, который кодирует полную энергию системы и для которого основное состояние известно, — постепенно изменяя его для достижения конечного гамильтониана, который кодирует конечное основное состояние.
Чтобы ускорить адиабатическую подготовку состояний, физики могут использовать метод, известный как контрдиабатическое управление. Этот метод работает путём добавления вспомогательного члена в гамильтониан, который предотвращает нежелательные возбуждения системы в состояния с более высокой энергией.
Новый метод контрдиабатического управления
Исследователи из Мюнхенского технического университета, Гарвардского университета и Института Флэтайрон недавно представили новый метод контрдиабатического управления, который может преодолеть некоторые ограничения ранее предложенных методов, обеспечивая строгие гарантии производительности.
Их метод, описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, может быть использован для надёжной и быстрой подготовки основных квантовых состояний квантовых систем, которые различаются по размеру и сложности.
«Подготовка основного состояния — это фундаментальная задача с приложениями в квантовой физике многих тел, квантовых вычислениях и даже для решения задач комбинаторной оптимизации», — сказал Джерней Руди Финцгар, первый автор статьи, в интервью Phys.org.
«Контрдиабатическое управление — это широко используемый метод, который обещает ускорить обычные адиабатические протоколы подготовки состояний. В этой статье мы поставили перед собой задачу понять, сколько ресурсов требуется для реализации таких схем».
Большинство ранее предложенных методов контрдиабатического управления работают путём выполнения вычислений, которые растут экспоненциально по мере увеличения размера систем или имеют вариационные аппроксимации, основанные на настраиваемых параметрах. Хотя первый из этих подходов может быть трудоёмким с точки зрения вычислений и сложнее масштабировать для более крупных систем, второй часто ненадёжен для подготовки основных состояний.
Финцгар и его коллеги поставили перед собой задачу разработать новый метод контрдиабатического управления, который не будет полагаться на всё более сложные вычисления или предположения, специфичные для системы. В итоге они пришли к выводу, что параметры, которые необходимо установить в вариационном подходе, напрямую связаны с задачей аппроксимации функции.
«Наш подход основан на том факте, что, по сути, создание эффективной схемы контрдиабатического управления сводится к концептуально более простой задаче — подгонке полиномов к обратной функции», — пояснил Финцгар.
«Это означает, что параметры предложенной схемы контрдиабатического управления не зависят от микроскопических деталей системы и поэтому в некотором смысле универсальны для различных систем».
«Наиболее важным выводом нашей работы, вероятно, является то, что мы определили, как стоимость реализации схем контрдиабатического управления зависит от конкретной задачи подготовки основного состояния», — сказал Финцгар.
«Кроме того, и это противоречит интуиции, мы обнаружили, что иногда производительность ограничивается свойствами состояний системы, которые находятся далеко от основного состояния по энергии, которое мы пытаемся подготовить. Это противоречит общепринятому мнению, что стоимость подготовки основного состояния определяется низкоэнергетическими свойствами системы».
Из-за высокочастотных свойств системы первоначально предложенная схема разрушается, когда системы увеличиваются до больших размеров. Чтобы исправить это, Финцгар и его коллеги показали, что в сочетании с адиабатическими протоколами конечной длительности их предложенная методика может быть применена к очень большим квантовым системам.
Более того, они обнаружили, что на практике их подход позволил им подготовить основные состояния быстрее и надёжнее, чем традиционные методы контрдиабатического управления, с которыми они его сравнивали.
Новый метод, разработанный этой группой исследователей, на данный момент зарекомендовал себя как жизнеспособная и масштабируемая альтернатива традиционным методам контрдиабатического управления. В будущем его можно будет использовать для подготовки основного состояния различных квантовых систем, что может иметь важные последствия для квантовых вычислений, квантового моделирования и разработки материалов.
«Мои планы на будущее в этой области будут включать поиск новых эффективных реализаций нашей схемы контрдиабатического управления на быстро развивающихся квантовых устройствах», — добавил Финцгар.
paper published in Physical Review Letters, could be used to reliably and rapidly prepare the quantum ground states of quantum systems that vary in size and complexity.»,»\»Ground state preparation is a fundamental task with applications in quantum many-body physics, quantum computation and even for solving combinatorial optimization problems,\» Jernej Rudi Finzgar, first author of the paper, told Phys.org.»,»\»Counterdiabatic driving is a widely adopted method that promises to speed up conventional, adiabatic, state preparation protocols. In this paper we set out to understand how much resources are required to implement such schemes.\»»,»Most previously introduced counterdiabatic driving methods work by performing calculations that grow exponentially as systems become bigger or have variational approximations based on adjustable parameters. While the first of these approaches can be computationally intensive and harder to scale to larger systems, the second is often unreliable for the preparation of ground states.»,»Finzgar and his colleagues set out to develop a new counterdiabatic driving technique that does not rely on increasingly complex calculations or system-specific assumptions. Ultimately, they realized that the parameters that one needs to set in a variational approach are directly linked to a function approximation problem.»,»\»Our approach relies on the fact that, at its core, crafting an effective counterdiabatic driving scheme boils down to the conceptually much simpler problem of fitting polynomials to the inverse function,\» explained Finzgar.»,»\»This effectively means that the parameters of the proposed counterdiabatic driving scheme do not depend on the microscopic details of the system and are therefore, in a sense, universal across a variety of systems.\»»,»\»The most important finding of our work is probably that we determined how the cost of implementing counterdiabatic driving schemes is for a given ground state preparation task,\» said Finzgar.»,»\»Additionally, and counterintuitively, we find that sometimes the performance is limited by properties of states of the system that are far away in energy from the ground state that we are trying to prepare. This is at odds with conventional wisdom that the cost of ground state preparation is determined by the low energy properties of the system.\»»,»Due to the high-frequency properties of the system, the originally proposed scheme breaks down when the systems are increased to large sizes. To remedy this, Finzgar and his colleagues showed that when combined with finite-time adiabatic protocols, their proposed technique could be applied to very large quantum systems.»,»Moreover, they found that in practice their approach allowed them to prepare ground states more rapidly and reliably than the conventional counterdiabatic driving approaches they compared it to.»,»The new method devised by this team of researchers has so far proved to be a viable and scalable alternative to conventional counterdiabatic driving techniques. In the future, it could be used to prepare the ground state of various quantum systems, which could have important implications for quantum computing, quantum simulation and materials design.»,»\»My future research plans in this area will include finding new efficient implementations of our counterdiabatic driving scheme on the rapidly advancing quantum devices,\» added Finzgar.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник