Оценка точности и прогнозирование эффективности квантовых информационных технологий на основе зашумленных оптических систем высокой размерности

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 проекта 22-12-00263

НазваниеОценка точности и прогнозирование эффективности квантовых информационных технологий на основе зашумленных оптических систем высокой размерности

Руководитель Богданов Юрий Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова квантовый компьютер, квантовый симулятор, квантовый алгоритм, кудит, квантовые измерения, квантовые шумы, декогерентизация, квантовая томография

Код ГРНТИ29.05.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий исследовательский проект направлен на разработку прецизионных методов оценки и прогнозирования характеристик точности и эффективности квантовых информационных технологий на основе зашумленных оптических систем высокой размерности. Полученные результаты позволят в дальнейшем реализовать системы непрерывного совершенствования NISQ – технологий на базе различных перспективных физических платформ. Будет выполнен ряд задач, направленных на разработку прецизионных методов оценки и прогнозирования характеристик точности и эффективности NISQ-технологий, включая высокоточное моделирование и контроль квантовых вычислительных систем на основе линейно-оптических чипов, прогноз их характеристик в зависимости от степени их интеграции для вычислительных задач различной сложности и для различных уровней декогерентизации и квантовых шумов; разработку методов приготовления, преобразования и использования многоуровневых (кудитных) квантовых состояний для реализации практически важных вычислительных алгоритмов; разработку квантовых операций с многоуровневыми квантовыми состояниями; разработку методов томографии детекторов, разрешающих число фотонов, разработку методов машинного обучения, а также решение ряда других актуальных и практически важных задач. Для решения поставленных задач будет разработана многоуровневая система, включающая методы машинного обучения и измерительно-вычислительные комплексы, направленные на непрерывный мониторинг и прогнозирование характеристик точности и эффективности NISQ –устройств.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Кузнецов Ю.А., Кокшаров К.Б., Лукичёв В.Ф. Прецизионная томография кудитов Russian Microelectronics (год публикации - 2023)

2. Богданов Ю.И, Катамадзе К.Г., Борщевская Н.А., Авосопянц Г.В., Богданова Н.А., Кулик С.П., Лукичёв В.Ф. Томография детекторов с учётом мёртвого времени Russian Microelectronics (год публикации - 2023)

3. Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Кузнецов Ю.А., Лукичёв В.Ф. Высокоточный контроль многоуровневых квантовых состояний в условиях сильной декогерентизации Наноиндустрия (год публикации - 2023)

4. Чернявский А.Ю. Квантовые псеводтелепатические игры и влияние декогеренции на них Наноиндустрия (год публикации - 2023)

5. Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Богданова Н.А., Дмитриев И.А., Лукичев В.Ф. Высокоточная квантовая томография ионных кубитов на основе нечётких измерений Наноиндустрия (год публикации - 2023)

6. Бантыш Б.И. Разработка масштабируемого метода характеризации перестраиваемого оптического квантового интерферометра Российский форум «Микроэлектроника 2022» Научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Роза Хутор, МКК «Роза Холл», 2–8 октября 2022 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2022. – 866 с., Тезисы докладов научной конференции «ЭКБ и микроэлектронные модули». Российский форум «Микроэлектроника 2022», с.506 (год публикации - 2022)

7. Бантыш Б., Катамадзе К., Чернявский А., Богданов Ю. Fast reconstruction of programmable integrated interferometers Optics Express, Vol. 31, Issue 10, pp. 16729-16742 (2023) (год публикации - 2023)
10.1364/OE.487156

8. Богданов Ю.И., Дмитриев И.А., Бантыш Б.И., Богданова Н.А., Лукичев В.Ф. High-precision tomography of ion qubits based on registration of fluorescent photons Laser Physics Letters, 20, 065202 (2023) (год публикации - 2023)
10.1088/1612-202X/accf79

9. Борщевская Н.А., Чупахин Д.Р., Бантыш Б.И., Катамадзе К.Г., Кулик С.П., Богданов Ю.И. Томография поляризационных кутритов в естественном базисе Radiophysics and Quantum Electronics (год публикации - 2023)

10. Дмитриев И.А., Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Богданова Н.А., Лукичёв В.Ф. Correction of Quantum State Readout Statistics Using the Fuzzy Measurement Model Russian Microelectronics (год публикации - 2024)

11. Кокшаров К.В., Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Кузнецов Ю.А., Лукичёв В.Ф. High-precision quantum measurements of qudits taking into account the influence of amplitude and phase relaxation Russian Microelectronics (год публикации - 2024)

12. Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Голышев И.К., Лукичёв В.Ф. Information approach to the study of the influence of quantum noise on the quality of implementation of quantum teleportation and dense coding algorithms The International Conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts., The International Conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts. Moscow – Zvenigorod. October 2th-6th, 2023, q3-06. (год публикации - 2023)

13. Бантыш Б., Чернявский А., Богданов Ю. Reconstructing Programmable Linear Optical Interferometers with Intensity-Only Measurements The International conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts, The International conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts. Moscow – Zvenigorod. October 2th-6th, 2023, q3-12 (год публикации - 2023)

14. Кокшаров К.В., Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Кузнецов Ю.А., Лукичёв В.Ф. High-precision quantum measurements of qudits taking into account the influence of amplitude and phase relaxation The International Conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts., The International Conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts. Moscow – Zvenigorod. October 2th-6th, 2023 (год публикации - 2023)

15. Дмитриев И.А., Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Богданова Н.А., Лукичёв В.Ф. Correction of Quantum State Readout Statistics Using the Fuzzy Measurement Model The International conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts., The International conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts. Moscow – Zvenigorod. October 2th-6th, 2023, q3-14 (год публикации - 2023)

16. Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Лукичёв В.Ф. Информационный подход к исследованию адекватности, полноты и точности квантовых измерений в приложении к квантовым вычислениям и коммуникациям Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов, Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Парк науки и искусства «Сириус», 9–14 октября 2023 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2023. с. 615 (год публикации - 2023)

17. Кокшаров К.Б., Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Кузнецов Ю.А., Лукичёв В.Ф. Влияние амплитудной и фазовой релаксации на точность томографии многоуровневых квантовых состояний Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов, Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Парк науки и искусства «Сириус», 9–14 октября 2023 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2023. с. 626 (год публикации - 2023)

18. Бантыш Б.И., Чернявский А.Ю., Флджян С.А., Богданов Ю.И. Fast reconstruction of programmable interferometers with intensity-only measurements Laser Physics Letters, Laser Phys. Lett. 21 (2024) 015203 (год публикации - 2023)

19. Фастовец Д.В., Богданов Ю.И., Лукичёв В.Ф. Efficiency analysis of qudits analogues of the basic quantum algorithms with decoherence consideration The International conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts., The International conference “Micro- and nanoelectronics – 2023” (ICMNE-2023). Abstracts. Moscow – Zvenigorod. October 2th-6th, 2023, q3-11 (год публикации - 2023)

20. Дмитриев И.А., Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Богданова Н.А., Лукичев В.Ф. Корректировка статистики считывания квантовых состояний с помощью модели нечетких измерений Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов, Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Парк науки и искусства «Сириус», 9–14 октября 2023 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2023. с. 624 (год публикации - 2023)

21. Голышев И. К., Богданов Ю. И. Влияние квантовых шумов на качество реализации алгоритма квантовой телепортации Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов, Российский форум «Микроэлектроника 2023» 9-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Парк науки и искусства «Сириус», 9–14 октября 2023 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2023. с. 625 (год публикации - 2023)

22. Голышев И.К., Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Лукичев В.Ф. Прецизионная реконструкция поляризационных квантовых состояний в условиях зашумленных измерений Российский форум "Микроэлектроника 2024" 10-я Научная конференция "ЭКБ и микроэлектронные модули". Сборник тезисов Научно-технологический университет "Сириус", Российский форум «Микроэлектроника 2024» 10-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Научно-технологический университет «Сириус», 23-28 сентября 2024 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2024. – с. 745-746 (год публикации - 2024)

23. Дмитриев И.А., Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Кокшаров К.Б., Лукичев В.Ф. Ослабление ошибок приготовления, преобразования и измерения двухкубитового состояния в процедуре томографии гейта Мёльмера — Соренсена Российский форум "Микроэлектроника 2024" 10-я Научная конференция "ЭКБ и микроэлектронные модули". Сборник тезисов Научно-технологический университет "Сириус", Российский форум «Микроэлектроника 2024» 10-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Научно-технологический университет «Сириус», 23-28 сентября 2024 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2024. – с. 743-744 (год публикации - 2024)

24. Кокшаров К.Б., Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Лукичёв В.Ф. Разработка оптимальных протоколов измерений ионных кудитов Российский форум "Микроэлектроника 2024" 10-я Научная конференция "ЭКБ и микроэлектронные модули". Сборник тезисов Научно-технологический университет "Сириус", Российский форум «Микроэлектроника 2024» 10-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Научно-технологический университет «Сириус», 23-28 сентября 2024 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2024. – с. 749-750 (год публикации - 2024)

25. Кузнецов Ю.А., Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Лукичев В.Ф. Методы измерения квантовых систем гарантированной точности Российский форум "Микроэлектроника 2024" 10-я Научная конференция "ЭКБ и микроэлектронные модули". Сборник тезисов Научно-технологический университет "Сириус", Российский форум «Микроэлектроника 2024» 10-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». Сборник тезисов Научно-технологический университет «Сириус», 23-28 сентября 2024 г. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2024. – с. 743-744 (год публикации - 2024)

26. Голышев И.К., Богданов Ю.И. Влияние квантовых шумов на качество реализации алгоритма квантовой телепортации Наноиндустрия, Наноиндустрия. – 2024. – Т. 17, № S10-2(128). – С. 587-592. (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.587.592

27. Авосопянц Г.В., Катамадзе К.Г., Борщевская Н.А., Богданов Ю.И., Кулик С.П. Quantum tomography of a photon-number-resolving detector based on continuous time multiplexing Laser Physics Letters, Laser Physics Letters. – 2024. – Vol. 21, No. 9. – P. 095202. (год публикации - 2024)
10.1088/1612-202X/ad6e69

28. Бантыш Б.И., Богданов Ю.И. Fast Reconstruction of Programmable Integrated Interferometers International Conference “Mathematical Modeling and Computational Physics” (MMCP 2024), Yerevan, Armenia, October 21–25, 2024. Book of Abstracts [electronic edition], International Conference “Mathematical Modeling and Computational Physics” (MMCP 2024), Yerevan, Armenia, October 21–25, 2024. Book of Abstracts [electronic edition] — JINR, Dubna, Russia, 2024, p. 63 (год публикации - 2024)

29. Кокшаров К.Б., Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Кузнецов Ю.А., Лукичёв В.Ф. Влияние амплитудной и фазовой релаксации на точность томографии многоуровневых квантовых систем Наноиндустрия, Наноиндустрия. – 2024. – Т. 17, № S10-2(128). – С. 593-598. (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.593.598

30. Богданов Ю.И., Богданова Н.А., Лукичёв В.Ф. Самосогласованный подход одновременной реконструкции зашумленных квантовых состояний и измерений Наноиндустрия, Наноиндустрия. – 2024. – Т. 17, № S10-2(128). – С. 569-573. (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.569.573

31. Дмитриев И.А., Богданов Ю.И., Бантыш Б.И., Богданова Н.А., Лукичев В.Ф. Корректировка статистики считывания квантовых состояний с помощью модели нечётких измерений Наноиндустрия, Наноиндустрия. – 2024. – Т. 17, № S10-2(128). – С. 582-586. (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.582.586

32. Бигуаа Л.В., Катамадзе К.Г., Бантыш, Б.И., Богданов, Ю.И. Reduced Characterization of Tunable Linear Photonic Integrated Circuits JETP LETTERS, JETP Letters. – 2024. – Vol. 119, No. 12. – P. 966-971. (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024601477

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработан высокоэффективный алгоритм одновременной реконструкции параметров смешивающих и фазовых слоёв программируемого интегрального линейно-оптического интерферометра со слоистой архитектурой расположения статичных и управляемых элементов. Алгоритм способен получать модель интерферометра в случае, когда измерения выполняются с точностью до выходных фаз. В результате апробации алгоритм продемонстрировал стабильную и корректную работу алгоритма в условиях, приближенных к реальному эксперименту. Был предложен полу-оптимизационный алгоритм адаптивной подстройки управляющих параметров, который позволяет при имеющейся модели перестраиваемого интерферометра подобрать такие управляющие параметры перестраиваемых элементов, которые максимизировали бы совпадение полной передаточной матрицы интерферометра с целевой унитарной матрицей. 2. Исследована нелинейность отклика PNR детекторов за счет временного мультиплексирования. Выявлены критерии, которым должны удовлетворять параметры детектора и статистика входного излучения, при которых такие детекторы можно описывать с помощью линейного POVM-разложения. Разработан и апробирован методов характеризации PNR детекторов за счет пространственного мультиплексирования и проанализирована возможность применения разработанных алгоритмов характеризации к реальным детекторам. Разработан и апробирован в численном эксперименте гибридный алгоритмов томографии передаточной матрицы детектора. Исследованы пределы точности оценки полученной матрицы, а также точности предсказания статистики фотоотсчетов при заданной статистике фотонов на входе. 3.1 Проведен анализ полноты двух протоколов томографии поляризационных кутритов как в чистом, так и в смешанном состоянии, а также их модификаций, с помощью выпуклой оптимизации и максимального правдоподобия для состояний разного ранга при разных параметрах оптимизатора. Исследованы пределы точности оценки матрицы плотности для чистых состояний, а также для смешанных состояний второго и третьего ранга. 3.2 Было проведено моделирование реконструкции кудитов при помощи симметричных, информационно-полных протоколов в условиях амплитудной и фазовой релаксации. Был разработан алгоритм для построения модели измерения на ионном квантовом процессоре. На её основе рассмотрена реконструкция кудитов в условиях неидеальности заданных преобразований. 3.3 Разработан общий самосогласованный метод одновременной реконструкции квантовых состояний, задаваемых матрицами плотности, и квантовых измерений, задаваемых операторами измерений. Новый метод реконструкции основывается на совокупности взаимно- дополнительных эталонных квантовых преобразований, корневом подходе и уравнениях правдоподобия. Показано, что выполненное исследование обеспечивает существенное обобщение существующих методов квантовой томографии. Продемонстрировано успешное приложение развитого метода к алгоритму квантовой телепортации. Показано, что развитый подход обеспечивает существенное повышение точности реконструкции квантовых состояний и операторов измерений по сравнению со стандартными методами. 3.4 Разработан алгоритм формирования адекватной модели реконструкции поляризационных квантовых состояний в условиях зашумленных измерений. Показано, что стандартный подход, не учитывающий шумы, приводит к насыщению точности реконструкции при увеличении объема выборки, в то время как подход нечетких измерений приводит к потенциально неограниченному увеличению точности с ростом количества измерений. Метод нечетких измерений позволяет радикально повысить точность восстановления поляризационных кубитов в условиях существенного влияния шумов. 3.5 Разработан метод реконструкции квантовых процессов с применением нечётких операторов, который позволяет учитывать ошибки считывания и декогерентизации в квантовом регистре на ионной платформе. Развитый подход улучшает точность реконструкции гейта Мёльмера-Соренсена по сравнению со стандартными методами, которые игнорируют ошибки измерений и декогерентизацию. Численные эксперименты с запутанными двухкубитовыми состояниями подтверждают, что предложенная модель значительно повышает точность восстановления квантового процесса. 3.6. Разработан высокопроизводительный программный фреймворк для моделирования и анализа с учетом влияния шумов кутритного алгоритма QAOA с фиксированными параметрами. Исследована зависимость времени работы алгоритма от точности двухкутритных поворотов. 4. Разработана методика построения немарковской модели однокубитного квантового процессора. Методика была апробирована как в численном, так и в реальном эксперименте, выполненном на ионном квантовом вычислителе, разрабатываемом в ФИАН им. П. Н. Лебедева. В обоих случаях реконструированная модель позволяла предсказывать вероятности на квантовых схемах, глубина которых в два раза превышала глубину схем в обучающей выборке. Марковская же модель, напротив, оказалась неспособной предсказывать поведение квантовых схем при наличии немарковских эффектов.

Публикации