КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 19-71-10091

НазваниеМониторинг и контроль качества функционирования современных систем квантовых вычислений

РуководительКиктенко Евгений Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионОбщество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий", Московская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41)

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-212 - Квантовые методы обработки информации

Ключевые словаКвантовые вычисления, квантовая обработка информации, квантовый компьютер, квантовая томография, квантовые вентили, информационно-полные измерения

Код ГРНТИ27.35.57


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Парадигма квантовых вычислений предлагает принципиально новый подход к задачам обработки информации. В отличие от классических вычислений, где единицей информации является бит (величина, которая может находиться в двух состояниях), в квантовых вычислениях идет оперирование квантовыми битами (кубитами) — физическими объектами, которые могут находиться в произвольной суперпозиции ортогональных квантовых состояний. Использование кубитов открывает новые возможности в решении задач: продемонстрировано, что квантовые алгоритмы дают экспоненциальный выигрыш в скорости решения некоторых математических задач по сравнению с лучшими алгоритмами, разработанными для классических компьютеров. Настоящий проект является продолжением развития основных результатов реализации Проекта 2019 “Мониторинг и контроль качества функционирования современных систем квантовых вычислений” применительно к актуальным задачам области квантовых вычислений. В частности, будет рассмотрен ряд задач, связанных с исследованием потенциала использования кудитов для квантовых вычислений. Будет решена задача модернизации, разработанной в рамках Проекта 2019 системы непрерывного мониторинга квантовых процессоров на поддержку архитектур, оперирующих с кудитами произвольной размерности. Решение данной задачи с одной стороны позволит получать актуальную информацию о качестве реализации кудитных операций по результатам выполнения произвольных цепочек без необходимости запуска дополнительных протоколов и задействования вычислительного времени квантовых процессора, а с другой стороны позволит преодолеть ограничение предположения о независимости шумов каждого отдельного гейта, использованного в существующей версии системы, что важно для адекватного описания немарковского поведения шумов в анализируемом квантовом процессоре. Также планируется решение задачи о создании первого в мире эвристического алгоритма (суб)оптимального отображения кубитов в пространства кудитов, обеспечивающего минимизацию количества двухчастиных операций, требуемых для реализации конкретной кубитной цепочки (кубитного алгоритма) на кудитном процессоре. Решение данной задачи позволит не только уменьшить время выполнения квантовых алгоритмов, но и существенно снизить уровень шумов, т.к. именно двухчастичные операции наиболее сильно подвержены деструктивному влиянию декогеренции. Планируется решение задачи об использовании новых полученных в ходе реализации Проекта 2019 алгоритмов разложения обобщенного многокубитного гейта Тоффоли с помощью кудитов для создания новых эффективных схем квантового исправления (подавления) ошибок, являющихся ключевым шагом на пути создания масштабируемых квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для классических вычислительных машин. Несмотря на то, что использование гейтов Тоффоли, реализуемым с помощью кутритов, является широко известным подходом для исправления ошибок в сверхпроводниковых процессорах, использование обобщенного гейта Тоффоли будет рассмотрено впервые. Также будет решаться ряд задач, связанных с вероятностным представлением квантовой механики, направленных на создание нового способа симуляции зашумленных квантовых цепочек. Ожидается, что полученные результаты также позволят глубже понять природу преимущества квантовых алгоритмов над классическими и откроют новые направления на пути создания квантовых алгоритмов.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации Проекта ожидается получение следующих результатов. 1. Система непрерывного мониторинга, разработанная в рамках Проекта 2019, будет дополнена возможностью поддержки кудитов и соответствующих многокудитных гейтов. Будет добавлена возможность использования дополнительных кудитов для исследования немарковской динамики на основе техники марковских вложений. Модернизированная система мониторинга будет апробирована на данных с реального кудитного процессорах. Разработанная система позволит получать актуальную информацию о качестве реализации кудитных операций по результатам выполнения произвольных цепочек без необходимости запуска дополнительных протоколов и задействования вычислительного времени квантовых процессора даже в случае наличия немарковских шумов. Данная информация позволит повысить качество калибровки квантовых процессоров и в итоге качество реализации квантовых алгоритмов на данном квантовом процессоре. 2. Будет предложен эвристический алгоритм распределения кубитов внутри кудитов в зависимости от входной цепочки однокубитных, двухкубитных и многокубитных гейтов, обеспечивающего уменьшение требуемого количества двухчастичных операций на кудитном процессоре по сравнению с реализацией данной цепочки непосредственно на кубитном процессоре с использование стандартных разложений многокубитных гейтов на однокубитные и двухкубитные. Решение данной задачи позволит не только уменьшить время выполнения квантовых алгоритмов на кудитном процессоре по сравнению с непосредственной реализацией на кубитном процессоре, но и существенно снизить уровень шумов, т.к. именно двухчастичные операции наиболее сильно подвержены деструктивному влиянию декогеренции. 3. Будет предложена структура квантового вариационного алгоритма на кудитах, реализуемых на основе ультра-холодных ионов. Будет проведено сравнение кубитной и кудитной реализации вариационных алгоритмов с учетом наличия шумов. Будут продемонстрированы режимы, в которых использование кудитов в рамках реалистичных моделей кудитных процессоров, дает преимущество для вариационных алгоритмов по сравнению с соответствующей кубитной реализацией. Решение данной задачи важно с точки зрения наиболее эффективного использования существующих NISQ (noisy intermediate-scale quantum) устройств для решения практических задач. 4. Будут предложены новые схемы использования кудитов для квантового исправления (подавления) ошибок, являющегося одной из ключевых задач на пути создания масштабируемых квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для классических вычислительных машин. 5. Будет предложен алгоритм оптимизации фреймов (вероятностных представлений) для минимизации негативности в заданной цепочке квантовых операций с точки зрения представления данных операций в виде псевдостохастических матриц рамках псевдо-IC-POVM подхода. Также будут получены новые соотношения на изменения элементов распределений вероятности квантовых состояний в рамках томографического подхода, в ходе прохождения этих состояний через квантовые каналы. Решение данных задач позволит получить новый способ симуляции зашумленных квантовых цепочек и позволит глубже понять природу преимущества квантовых алгоритмов над классическими.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ