Автор: 
Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают информацию с помощью систем, элементы которых можно представить в виде кубитов — квантовых версий компьютерного бита. Кубиты существуют в двух состояниях — 0 и 1, — принимая несколько состояний сразу. Такое свойство позволяет объединить большое количество квантовых объектов и проводить с ними вычисления, находящиеся за пределами возможностей обычных компьютеров. Например, именно это свойство позволяет квантовым компьютерам параллельно обрабатывать множество потоков информации, а потому ускорить решение сложных вычислительных задач. Оно же определяет проблему таких компьютеров: чем больше кубитов в системе, тем больше требуется вычислительных ресурсов для оптимального управления ими.
Поскольку работу квантового компьютера с большим числом кубитов невозможно смоделировать на классическом компьютере, нужно придумать протоколы управления квантовой системой, которые не требовали бы полной симуляции. Российские учёные разработали цифровой двойник квантовой системы, который помогает понять, как эффективно управлять ею. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research. Для того чтобы сконструировать цифровой двойник, учёные построили упрощённую модель квантовой системы. Они сделали это с помощью тензоров — математических объектов, применяемых в квантовой физике для описания совокупности квантовых состояний всех кубитов системы.
Если в системе много объектов, тензорное выражение будет обладать большой размерностью, и работать с ним будет трудно, так как придется хранить в памяти и производить операции со сложным выражением. Однако тензор, описывающий квантовую систему, можно разбить на совокупность тензоров меньшей размерности. В результате таких «разбиений» сложного на простое формируется тензорная сеть. Тензорные сети позволяют эффективно имитировать квантовые системы, передавая их важнейшие свойства, в том числе согласованность объектов в процессе работы. Таким образом, тензорные сети создают цифровой двойник квантового компьютера — его модель, с которой можно работать на классическом компьютере.
Учёные использовали цифровой двойник на основе тензорных сетей, чтобы найти оптимальное управляющее воздействие на квантовую систему. Цифровой двойник удобен для этого, поскольку помогает уменьшить необходимое количество ресурсов для поиска наилучшего решения: вместо работы с системами, у которых нужно учитывать несколько миллионов состояний, достаточно компактных представлений с несколькими сотнями параметров. Предлагаемые протоколы управления, например, могут позволить скорректировать часть ошибок, обусловленных взаимодействием квантовой системы с внешним миром, и тем самым «навести резкость» на квантовые шумовые искажения.
