КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-22-00022

НазваниеКвантовые вычисления на многомодовых системах и системах высокой размерности

РуководительГолубева Татьяна Юрьевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словаквантовые вычисления, кубиты, кудиты, информационная емкость, квантовая память, орбитальный угловой момент света, кластерные квантовые состояния, сжатие, негауссовые гейты

Код ГРНТИ29.31.27 29.33.25

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка и создание протоколов и алгоритмов квантовых вычислений является на сегодня вызовом для научного сообщества. В отличие от ситуации десятилетней давности, когда основные надежды возлагались на схемную модель квантовых вычислений, выполняющую унитарные преобразования над двумерными квантовыми системами (кубитами), сегодня трудности физической реализации такого подхода породили активный поиск альтернативных вычислительных моделей. Эти модели, базируясь на других вычислительных принципах, подчас не имеющих классических аналогий, более устойчивы к проблеме масштабирования, которая на сегодня оказалась камнем преткновения схемной модели квантовых вычислений. Данный проект посвящен проработке двух различных вычислительных моделей: модели однонаправленных квантовых вычислений в непрерывных переменных и модели вычислений на многомерных квантовых системах (кудитах). Хотя универсальность модели однонаправленных квантовых вычислений доказана уже около 20 лет назад [Lloyd1999], и с тех пор были предложены различные варианты схем выполнения универсального набора вентилей в непрерывных переменных, физическая реализация данных протоколов упирается в слишком высокие (недостижимые на сегодня) требования к сжатию квантовых осцилляторов, лежащих в основе таких вычислений. Мы планируем модифицировать вычислительные схемы, уменьшив требование на сжатие осцилляторов. При этом мы будем работать над изменением как конфигурации кластерных квантовых состояний, являющихся ресурсом для проведения вычислений, так и самих логических вентилей. Разработка квантовых преобразований многомерных физических систем на сегодня заметно отстает от нашего умения работать с кубитами. Проект направлен на преодоление этого отставания и поиск методов управления кудитами, реализуемыми на основе пространственно-многомодового света, обладающего орбитальным угловым моментом (ОУМ). Данная квантовая степень свободы света является привлекательной, поскольку, принимая любые целочисленные значения, орбитальный момент предоставляет неограниченный информационный ресурс. Кроме того, такая система может быть описана не только в дискретных, но и в непрерывных переменных. Комбинируя подходы к выполнению преобразований в непрерывных и дискретных переменных, мы надеемся найти возможность выполнения как однокудитных, так и управляемых двухкудитных операций в схемах квантовой памяти.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется: - разработать конфигурацию кластерного состояния, позволяющую осуществлять квантовые гейты в непрерывных переменных с меньшими ошибками по сравнению с имеющимися на сегодня аналогами. Данная разработка позволит снизить требования к степени сжатия квантовых осцилляторов и, тем самым, приблизиться к практической реализации квантовых вычислений в данной модели. - разработать гибридные схемы квантовых гейтов однонаправленных вычислений в непрерывных переменных, использующих как гауссовы, так и негауссовы преобразования, которые позволят увеличить точность преобразований. Хотя выполнение негауссовых операций на сегодня представляет сложную экспериментальную задачу, разработка таких операций ведется очень активно. В этой связи, нам кажется перспективным, исследовать возможности включения таких процедур в вычислительный процесс. - разработать схемы однокудитных преобразований многомерных квантовых световых полей, обладающих орбитальным угловым моментом, базируясь на преобразовании полей в протоколе квантовой памяти. Выполнение квантовых вычислений на многомерных объектах позволяет уменьшить число физических систем (кубитов) в вычислительной схеме. Именно управление и удержание большого числа квантовых объектов является сегодня ключевой проблемой экспериментальных вычислительных схем. - совмещая технику работы в непрерывных переменных с преобразованиями в дискретных переменных, предложить протокол управляемого гейта для кудитов на основе орбитального углового момента. Совмещение двух различных подходов к квантовым вычислениям представляется перспективным с точки зрения нивелирования фундаментальных ограничений каждого из подходов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Квантовые вычисления – это направление, от которого ожидают принципиальных скачкообразных перемен в нашей жизни, столь же ощутимых, как эра компьютеров или эра мобильной связи. Сейчас предлагают различные принципы построения вычислительных схем и одно из наиболее интригующих направлений – это так называемые однонаправленные вычисления, или иначе – вычисления, основанные на измерениях. Они интересны тем, что принципиально не имеют классического аналога, поскольку задействуют фундаментальный принцип квантовой механики: принцип редукции волновой функции. Для проведения таких вычислений можно использовать кластерные состояния света. Однако, главным препятствием для создания вычислительных устройств, построенных на таком принципе, являются неустранимые ошибки, связанные с конечной степенью сжатия используемых ресурсных состояний. В проведенном исследовании мы предлагаем несколько методов уменьшения таких ошибок. В частности, мы демонстрируем как используя взвешенные кластерные состояния снизить ошибки вычислений. Другой перспективный метод, предложенный исполнителями проекта, это использование негауссовых состояний для снижения ошибки вычислений. Из проведенных исследований можно заключить, что грамотное использование имеющегося физического ресурса (грамотное распределение весовых коэффициентов, подбор фаз при гомодинировании, а также включение негауссовых узлов в ключевые точки схемы), позволяет заметно снизить ошибку квантовых вычислений.

 

Публикации

1. Зинатуллин Э.Р., Королев С.Б. Манухова А.Д., Голубева Т.Ю. Error of an arbitrary single-mode Gaussian transformation on a weighted cluster state using a cubic phase gate Physical Review A, 106, 032414 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.106.032414

2. Королев С.Б., Голубева Т.Ю. Error correction of the continuous-variable quantum hybrid computation on two-node cluster states: Limit of squeezing Physics Letters A, 441, 128149 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.physleta.2022.128149

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Сегодня квантовые вычисления пытаются развивать на разных платформах, и пока нет ответа, какая из платформ окажется реализуемой. Основные четыре направления — это построение квантовых алгоритмов на ионах, нейтральных атомах, сверхпроводниках и фотонах. Усилия этого проекта направлены на разработку фотонной платформы. Фотоны имеют много достоинств: с ними достаточно легко манипулировать, их легко генерировать, они не требуют охлаждения, как сверхпроводники или атомы. Главная сложность работы с фотонами — организовать их взаимодействие друг с другом. Напрямую создать условия для такого взаимодействия невозможно. Чтобы обойти эту проблему, используют схемы с оповещением, которые были исследованы в рамках проекта. Схемы с оповещением позволяют наблюдателю по состоянию вспомогательной системы (над которой он производит измерение) сделать вывод о состоянии «остатка», то есть отсеивать результаты, когда логическая операция выполнена. Таким образом, эти схемы работают вероятностно. Мы определили ключевые параметры схем (аналог кода ДНК) и промоделировали эволюцию поколений, вводя «селекцию», «скрещивание» и «мутацию» особей (где под особями подразумевались оптические схемы). В результате за несколько минут программа смогла найти те схемы, на обнаружение которых ранее ушли годы. Кроме этого мы разработали метод оптимизации взвешенного кластерного состояния, отвечающий на вопрос как в условиях ограниченного ресурса этот ресурс должен быть распределен между узлами и ребрами в кластере произвольной требуемой конфигурации. Еще одна задача, решенная авторами, это оценка различных негауссовых ресурсов с точки зрения их эффективности для уменьшения ошибки телепортации. Кроме того, авторы исследовали возможность реализации перепутывающих операций в многомерной атомно-полевой системе, размерность которой определяется набором орбитальных угловых моментов световых мод. Продемонстрирована возможность параллельного выполнения нескольких двухкубитных операций на одной системе.

 

Публикации

1. Королёв С.Б., Голубева Т.Ю. Особенности конфигурирования взвешенных кластерных состояний в условиях ограниченного ресурса Известия вузов. Радиофизика (Radiophysics and Quantum Electronics), - (год публикации - 2023)

2. Черников А., Сысоев С.С., Вашукевич Е.А., Голубева Т.Ю. Heralded gate search with genetic algorithms for quantum computation Physical Review A, 108, 012609 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.108.012609

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта полезны для использования в области квантовых технологий, в частности, для разработки и построения квантовых вычислений на фотонной платформе. Кроме того, предложенный протокол телепортации с кубическим фазовым затвором может быть использован в различных квантово-информационных приложениях, например, для реализации квантовых повторителей, построения квантовых сетей, в протоколах обмена квантовым перепутыванием, а также непосредственно в схемах квантовых вычислений.