Photo
Физика Вероятностный подход к описанию квантовых систем позволяет по-новому взглянуть на область квантовых вычислений


Как известно, проблема описания динамики квантовых систем играет важную роль в изучении фундаментальных свойств квантовой теории. Задача характеристики квантовых состояний в рамках описания квантовых систем с использованием стандартных методов статистической̆ физики, например, таких как распределения вероятностей̆ в фазовом пространстве, в этом контексте является довольно перспективной. Подход к описанию квантовых явлений на языке вероятностных распределений был расширен концепцией симметричных информационно-полных положительных операторно-значных мер (SIC-POVM), основанных на измерениях, которые полностью описывают квантовые состояния. В такой структуре квантовые состояния соотносятся с вероятностями, связанными с определенным набором векторов в гильбертовом пространстве, которое состоит из так называемых SIC-проекторов.

В своём исследовании группа российских ученых изучила возможность описания квантовой динамики с помощью псевдостохастических матриц, то есть матриц, суммы элементов столбцов которых равны 1, но, в отличие от стохастических матриц, не имеющих ограничения на неотрицательность элементов. Было продемонстрировано, что вероятностное представление квантовой динамики на основе таких измерений может быть использовано для анализа унитарной эволюции, описываемой уравнением фон Неймана, и для диссипативной эволюции квантовых систем, которая описывается уравнением Линдблада. В частности, было описано, как можно моделировать квантовую динамику с помощью классических случайных процессов в терминах выражений для генератора уравнения Линдблада в вероятностном представлении SIC-POVM. Также учеными были построены практические измерения неклассичности немарковских квантовых процессов, и они были применены для изучения экспериментальной реализации квантовых схем, которые реализуются с помощью сверхпроводящего квантового процессора IBM через облачный доступ.

С помощью обобщения данного вероятностного подхода на минимальные информационно-полные положительные операторно-значные меры (MIC-POVM) авторы демонстрируют, как предложенный подход может быть применен для анализа процессов шумных квантовых устройств промежуточного масштаба (NISQ) и получения псевдостохастических отображений для различных однокубитных и многокубитных квантовых вентилей. Описанные в соответствующей статье результаты данного исследования позволят научному сообществу существенно продвинуться в интерпретации квантовых вычислений.

Исследование выполнено группой ученых из Российского квантового центра (РКЦ), Московского физико-технического института (МФТИ) и института физики университета Николая Коперника в Польше. 

Над данным исследованием в составе группы российских ученых работала участница конкурса “Молодые ученые” Мастюкова Алена – магистрант 2 курса МФТИ, младший научный сотрудник группы “Квантовые информационные технологии” Российского квантового центра, под руководством Алексея Федорова, самого молодого профессора МФТИ, и Евгения Киктенко, старшего научного сотрудника Российского квантового центра.

Результаты исследования опубликованы в журналах Physical Review A (Q1) и New Journal of Physics (Q1):

https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.052320

https://doi.org/10.1088/1367-2630/abb963