
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

Тайна необъяснимых северных кратеров разгадана спустя 11 лет после появления первого провала на Ямале
Почему российские ученые не рады своему открытию, называя его «русской рулеткой»?...

Турецкие археологи обнаружили затерянный мост, способный переписать всю раннюю историю человечества
Оказалось, что научная сенсация все это время... валялась у ученых буквально под ногами...

Секретная база в Гренландии, спрятанная 30-метровым слоем льда, угрожает всему миру
Гляциолог Уильям Колган говорит: «Американские военные думали, что это никогда не вскроется, но теперь...»...

В Антарктиде обнаружен метановый «спящий гигант», который очень быстро просыпается. И это плохая новость
Ученые в тревоге задаются вопросом: означают ли десятки газовых гейзеров под водой, что эффект домино уже запущен?...

В самом большом кратере Луны происходит что-то очень странное
Поэтому астронавты планируют туда заглянуть в самое ближайшее время...

Рядом с пирамидами Гизы обнаружены секретные тоннели, ведущие в забытый подземный мир
Быть может, их построили даже не египтяне. Но кто тогда?...

Наше тело — это… большой мозг: эксперимент русского ученого может совершить революцию в медицине
Эксперты говорят: «Открытие клеточной памяти — это огромный шаг к медицине, где лечение будет подбираться точно для конкретного человека»...

Археологи поражены: 404 тысячи лет назад «римляне» спокойно разделали гигантского слона... 3-сантиметровыми ножичками
Получается, что древние охотники могли справиться с самым большим животным в Европе буквально голыми руками?...

«Черный ящик» раскрыл тайну летучей мыши, пожирающей птиц прямо в полете
Ученые совершенно не ожидали, что рукокрылый властелин ночного неба по свирепости и охотничьему мастерству даст фору даже соколам...

Ученые выяснили: в каком возрасте наш мозг достигает пика своей активности
Почему же 20-30 лет оказались стереотипом, далеким от реальной жизни?...

Ученые обнаружили на Кавказе «ужасного» хищника, способного дробить черепа с одного укуса
Почему же 400-килограммовый монстр, побеждавший медведей и саблезубых тигров, все-таки исчез с лица планеты?...

Секретные спутники Илона Маска заподозрили в использовании запрещенных сигналов
Что это значит для России и чем могут ответить наши военные?...

Мог ли великий художник Клод Моне видеть в ультрафиолетовом спектре, как пчела?
Историки уверены: после операции на глазах с французским живописцем стали происходит очень странные вещи...