Разработан метод оценки состояния квантовых процессоров «на лету»

Группа ученых разработала алгоритм непрерывной оценки характеристик (бенчмаркинга) функционирования квантового процессора. Такой подход не#nbsp;требует запуска отдельных процедур и#nbsp;алгоритмов, использует уже доступные данные из#nbsp;реализованных схем и#nbsp;значительно экономит вычислительное время квантового процессора. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в#nbsp;журнале Physical Review Applied.

Идея квантовых технологий состоит в#nbsp;использовании микроскопических объектов для#nbsp;решения различных практических задач, например, высокопроизводительных вычислений, защищенной передачи информации и#nbsp;высокоточного измерения параметров окружающей среды. Квантовые вычисления позволяют выполнять сложнейшие процедуры во#nbsp;множестве областей#nbsp;— от#nbsp;обработки информации и#nbsp;развития машинного обучения до#nbsp;моделирования и#nbsp;управления сложными системами. Однако в#nbsp;настоящее время большой проблемой остается то, что квантовые устройства сильно подвержены влиянию шумов.

В#nbsp;отличие от#nbsp;классических вычислений, где единицей информации является бит (принимает значение либо 0, либо 1), в#nbsp;квантовых процессорах оперируют кубитами. Это квантовое обобщение бита: кубит способен принимать не#nbsp;только оба состояния (0 и#nbsp;1) одновременно, но#nbsp;и#nbsp;огромное множество промежуточных значений.

Шумы#nbsp;— это нестабильность или помехи, возникающие из-за того, что кубиты не#nbsp;изолированы от#nbsp;своего окружения и#nbsp;взаимодействуют с#nbsp;ним. Из-за шумов параметры квантовых компьютеров существенно ухудшаются со#nbsp;временем, что ограничивает возможности квантовых вычислительных устройств. Эта проблема обычно решается путем калибровки квантовых процессоров. Такие алгоритмы увеличивают время вычислений или требуют остановки рабочего процесса. Чем больше будет потребность в#nbsp;квантовых вычислительных устройствах, тем актуальнее станет проблема разработки новых методов калибровки квантовых процессоров, поскольку нагрузка на#nbsp;квантовые процессоры возрастет.

Ученые из#nbsp;Российского квантового центра (Москва) и#nbsp;Университета МИСИС (Москва) разработали новый алгоритм мониторинга характеристик базовых элементов квантового процессора, позволяющий получать достаточно точные оценки их#nbsp;поведения на#nbsp;основе анализа информации, полученной после запуска пользовательских цепочек. Алгоритм прошел проверку как на#nbsp;искусственно сгенерированных данных, полученных из#nbsp;квантового эмулятора, так и#nbsp;на#nbsp;экспериментальных данных, собранных из#nbsp;общедоступного облачного квантового процессора.

Главная особенность разработанной системы по#nbsp;сравнению с#nbsp;другими методами бенчмаркинга заключается в#nbsp;том, что она не#nbsp;заимствует дополнительное вычислительное время у#nbsp;квантового процессора: все оценки состояния квантовых процессоров делаются на#nbsp;основе запускаемых пользователями квантовых цепочек. Использование предлагаемого метода позволит значительно сократить ресурсы, необходимые для#nbsp;их#nbsp;бенчмаркинга и#nbsp;калибровки. Система мониторинга максимально задействует уже доступные данные из#nbsp;реализованных квантовых алгоритмов без необходимости запуска дополнительных процедур.

«Мы#nbsp;протестировали разработанную систему с#nbsp;использованием искусственно созданных и#nbsp;экспериментальных данных, полученных путем запуска схем на#nbsp;5-кубитном сверхпроводящем квантовом процессоре, который доступен через облако. В#nbsp;случае реальных данных от#nbsp;процессора мы#nbsp;видели, что результаты мониторинга довольно хорошо согласуются с#nbsp;результатами, полученными от#nbsp;специально запущенной калибровки. Можно сделать вывод, что разработанная система успешно справляется с#nbsp;поставленными задачами. Другим важным аспектом является независимость разрабатываемых методов для#nbsp;мониторинга и#nbsp;контроля операций от#nbsp;конкретной физической реализации кубитов данного процессора. Это могут быть как сверхпроводниковые технологии, так и#nbsp;ионы в#nbsp;ловушках, ультрахолодные атомы, фотоны и#nbsp;так далее»,#nbsp;— комментирует руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Киктенко, кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

Разрабатываемые методы должны позволить осуществлять сбор информации о#nbsp;состоянии квантовых процессоров «на#nbsp;лету» (on-the-fly), основываясь исключительно на#nbsp;данных о#nbsp;запускаемых алгоритмах (независимо разрабатываемых пользователями) и#nbsp;получаемых результатах (распределениях результатов финальных измерений).

Разработка систем мониторинга и#nbsp;бенчмаркинга квантовых процессоров является одной из#nbsp;ключевых задач Дорожной карты по#nbsp;развитию квантовых вычислений в#nbsp;Российской Федерации, за#nbsp;реализацию которой отвечает#nbsp;ГК «Росатом».