Студент НГУ усовершенствовал алгоритм для квантовых вычислений

Выпускник бакалавриата Физического факультета НГУ Никита Журавлев подготовил исследование, в котором затронул вопросы квантового моделирования элементарных физических процессов. В своей работе «Квантовое моделирование молекулы водорода в среде IBM QExperience» он усовершенствовал алгоритм квантовых вычислений и полностью самостоятельно реализовал его на процессоре IBM.

— В 2019 году вышла статья студента под кураторством Ильи Игоревича Бетерова, моего научного руководителя. В статье была реализована схема квантового симулятора молекулы водорода, где в качестве вычислительных ресурсов использовали два атома рубидия, захваченные в пространственно-разнесенные оптические дипольные ловушки, образованные жестко сфокусированными лазерными пучками. Я сам давно хотел попробовать свои силы в квантовом программировании, и мне предложили продолжить эту работу, уже используя квантовый процессор на ультрахолодных сверхпроводящих материалах, разработанный компанией IBM, — рассказал об идее своей работы Никита Журавлев.

Квантовое моделирование элементарных физических процессов позволяет экспериментально решать задачи современной физики, используя новый подход к вычислениям — с помощью квантового процессора. Он позволяет моделировать полезные в решении задач квантовые алгоритмы, такие как «Обратное Фурье-преобразование» и «Оценка фазы» — последний является важным строительным блоком для различных квантовых алгоритмов.

Тем не менее, их реализация на современных квантовых компьютерах сильно ограничена из-за низкой надежности и высокой изменчивости физических характеристик вычислительных устройств — квантовая устойчивость современных квантовых компьютеров мала для реализации большинства алгоритмов. Никита Журавлев создал схему квантового симулятора молекулы водорода в среде IBM QExperience. Схема представляет из себя улучшенный алгоритм Китаева для итерационной оценки фазы. По словам студента, в ходе работы не только были оценены возможности квантового процессора IBM, но и проведен сравнительный анализ, который будет являться отправной точкой для определения дальнейших перспектив.

На данный момент компания IBM предоставляет облачный доступ к собственному квантовому процессору. Существует удобный инструмент Composer, с помощью которого можно создавать квантовые схемы и запускать их, используя 1, 5, 15-кубитные квантовые процессоры или же симулятор. Хорошо разобравшись в теме квантовых алгоритмов, Никите Журавлеву удалось реализовать итерационный модифицированный алгоритм Китаева, а также алгоритм оценки фазы с использованием обратного квантового Фурье-преобразования. Кроме того, выпускник смог запустить эти алгоритмы на пятикубитном процессоре ibmqx2.

— В Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН ведётся разработка простого двухкубитного квантового процессора, и одним из ключевых моментов в научной деятельности является возможность применять алгоритмы для типовых задач квантовой физики. Собственно, такой задачей и является тема моего диплома. Если говорить о планах на будущее, то есть идеи попробовать использовать методы машинного обучения на квантовом процессоре ИФП, — добавил Никита Журавлев.