Световые головоломки на генетическом коде: ученые СПбГУ разработали универсальный метод поиска оптимальных схем с оповещением
Квантовые вычисления — одно из самых перспективных и сложных направлений современной науки. Они позволяют решать задачи, которые недоступны для классических компьютеров, такие как факторизация больших чисел, поиск в неструктурированных базах данных, моделирование квантовых систем и многие другие. Однако для реализации квантовых алгоритмов необходимо создавать специальные устройства, которые могут манипулировать квантовыми состояниями элементарных частиц, таких как электроны, фотоны, атомы и т. д.
Существует несколько подходов к построению квантовых компьютеров на различных физических платформах. Одним из них является фотонная платформа, которая использует световые кванты (фотоны) в качестве носителей квантовой информации. Фотоны имеют ряд преимуществ перед другими кандидатами, таких как легкость генерации, высокая скорость передачи, отсутствие необходимости в охлаждении и декогеренции. Однако главной проблемой работы с фотонами является организация их взаимодействия друг с другом, так как они обладают очень слабым электромагнитным взаимодействием.
Для решения этой проблемы были предложены различные схемы, которые позволяют осуществлять квантовые операции над фотонами с помощью оптических элементов. Одним из типов таких схем являются схемы с оповещением (heralded schemes), которые используют дополнительные фотоны или детекторы для измерения состояния системы и получения информации о ее успешности. Такие схемы работают на вероятностной основе и требуют повторения эксперимента до тех пор, пока не будет достигнут желаемый результат.
Схемы с оповещением были впервые предложены в 2001 году Коком и Манро для реализации двухкубитных операций над поляризационными состояниями фотонов. С тех пор было предложено несколько других схем для различных задач квантовых вычислений, таких как создание запутанных состояний, реализация унитарных преобразований, имплементация квантовых логических вентилей и т. д. Однако все эти схемы имеют конкретные оптические элементы и конфигурации, которые были найдены вручную или методом проб и ошибок. Возникает естественный вопрос: можно ли создать более эффективные схемы с оповещением, которые имели бы меньше элементов, большую вероятность успеха и меньшую потерю информации?
Для поиска оптимальных схем с оповещением ученые Санкт-Петербургского университета применили аппарат эволюции — процесса, который имитирует естественный отбор в природе. Эволюция — это способ поиска решений сложных задач, которые не поддаются аналитическому решению или требуют большого объема вычислений. Эволюция работает на основе генетического алгоритма, который оперирует с набором потенциальных решений, называемых популяцией. Каждое решение представляется в виде генотипа — последовательности символов, которая кодирует определенные характеристики решения, называемые фенотипом. В случае оптических схем генотипом является последовательность чисел, которая задает типы и параметры оптических элементов и связей между ними, а фенотипом — сама схема.
Генетический алгоритм работает по следующему принципу: на каждой итерации (поколении) алгоритм оценивает качество каждого решения в популяции с помощью функции приспособленности (fitness function), которая измеряет, насколько хорошо решение соответствует поставленной задаче. Затем алгоритм выбирает лучшие решения для создания новой популяции с помощью операторов скрещивания (crossover) и мутации (mutation). Скрещивание — это процесс комбинирования частей двух или более решений для получения нового решения. Мутация — процесс случайного изменения одного или нескольких символов в генотипе. Таким образом, алгоритм поддерживает разнообразие в популяции и способствует появлению новых и лучших решений. Алгоритм повторяет эти шаги до тех пор, пока не будет достигнут критерий остановки, например, максимальное число поколений или достаточно высокое значение функции приспособленности.
Ученые использовали эволюционный подход для поиска оптических схем с оповещением для двух задач: создания запутанных состояний фотонов и реализации квантовых логических вентилей. Для этого они разработали специальную функцию приспособленности, которая учитывает вероятность успеха схемы, число используемых фотонов и оптических элементов, потерю информации и другие факторы. Они также ограничили пространство поиска с помощью набора правил, которые гарантировали физическую реализуемость схем. С помощью эволюционного алгоритма они смогли найти новые схемы, которые превосходили известные ранее по эффективности и компактности. Например, они нашли схему для создания четырехфотонного запутанного состояния Гринбергера-Хорна-Зейлингера (GHZ) с вероятностью успеха 25%, что в два раза больше, чем в лучшей известной схеме. Они также нашли схему для реализации квантового вентиля CNOT с вероятностью успеха 50%, что равно максимально возможному значению для такого вентиля.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. Авторы работы подчеркивают, что их метод является универсальным и может быть применен к любой задаче квантовых вычислений на фотонах. Они также отмечают, что их метод позволяет экономить время и ресурсы, которые бы потребовались для поиска таких схем вручную или методом проб и ошибок. Они надеются, что их работа способствует развитию квантовой оптики и квантовых технологий в целом.
Существует несколько подходов к построению квантовых компьютеров на различных физических платформах. Одним из них является фотонная платформа, которая использует световые кванты (фотоны) в качестве носителей квантовой информации. Фотоны имеют ряд преимуществ перед другими кандидатами, таких как легкость генерации, высокая скорость передачи, отсутствие необходимости в охлаждении и декогеренции. Однако главной проблемой работы с фотонами является организация их взаимодействия друг с другом, так как они обладают очень слабым электромагнитным взаимодействием.
Для решения этой проблемы были предложены различные схемы, которые позволяют осуществлять квантовые операции над фотонами с помощью оптических элементов. Одним из типов таких схем являются схемы с оповещением (heralded schemes), которые используют дополнительные фотоны или детекторы для измерения состояния системы и получения информации о ее успешности. Такие схемы работают на вероятностной основе и требуют повторения эксперимента до тех пор, пока не будет достигнут желаемый результат.
Схемы с оповещением были впервые предложены в 2001 году Коком и Манро для реализации двухкубитных операций над поляризационными состояниями фотонов. С тех пор было предложено несколько других схем для различных задач квантовых вычислений, таких как создание запутанных состояний, реализация унитарных преобразований, имплементация квантовых логических вентилей и т. д. Однако все эти схемы имеют конкретные оптические элементы и конфигурации, которые были найдены вручную или методом проб и ошибок. Возникает естественный вопрос: можно ли создать более эффективные схемы с оповещением, которые имели бы меньше элементов, большую вероятность успеха и меньшую потерю информации?
Для поиска оптимальных схем с оповещением ученые Санкт-Петербургского университета применили аппарат эволюции — процесса, который имитирует естественный отбор в природе. Эволюция — это способ поиска решений сложных задач, которые не поддаются аналитическому решению или требуют большого объема вычислений. Эволюция работает на основе генетического алгоритма, который оперирует с набором потенциальных решений, называемых популяцией. Каждое решение представляется в виде генотипа — последовательности символов, которая кодирует определенные характеристики решения, называемые фенотипом. В случае оптических схем генотипом является последовательность чисел, которая задает типы и параметры оптических элементов и связей между ними, а фенотипом — сама схема.
Генетический алгоритм работает по следующему принципу: на каждой итерации (поколении) алгоритм оценивает качество каждого решения в популяции с помощью функции приспособленности (fitness function), которая измеряет, насколько хорошо решение соответствует поставленной задаче. Затем алгоритм выбирает лучшие решения для создания новой популяции с помощью операторов скрещивания (crossover) и мутации (mutation). Скрещивание — это процесс комбинирования частей двух или более решений для получения нового решения. Мутация — процесс случайного изменения одного или нескольких символов в генотипе. Таким образом, алгоритм поддерживает разнообразие в популяции и способствует появлению новых и лучших решений. Алгоритм повторяет эти шаги до тех пор, пока не будет достигнут критерий остановки, например, максимальное число поколений или достаточно высокое значение функции приспособленности.
Ученые использовали эволюционный подход для поиска оптических схем с оповещением для двух задач: создания запутанных состояний фотонов и реализации квантовых логических вентилей. Для этого они разработали специальную функцию приспособленности, которая учитывает вероятность успеха схемы, число используемых фотонов и оптических элементов, потерю информации и другие факторы. Они также ограничили пространство поиска с помощью набора правил, которые гарантировали физическую реализуемость схем. С помощью эволюционного алгоритма они смогли найти новые схемы, которые превосходили известные ранее по эффективности и компактности. Например, они нашли схему для создания четырехфотонного запутанного состояния Гринбергера-Хорна-Зейлингера (GHZ) с вероятностью успеха 25%, что в два раза больше, чем в лучшей известной схеме. Они также нашли схему для реализации квантового вентиля CNOT с вероятностью успеха 50%, что равно максимально возможному значению для такого вентиля.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review A. Авторы работы подчеркивают, что их метод является универсальным и может быть применен к любой задаче квантовых вычислений на фотонах. Они также отмечают, что их метод позволяет экономить время и ресурсы, которые бы потребовались для поиска таких схем вручную или методом проб и ошибок. Они надеются, что их работа способствует развитию квантовой оптики и квантовых технологий в целом.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...