Квантовый параллелизм: новый подход к масштабируемым вычислениям

Автор: Денис Аветисян

Исследователи предлагают архитектуру для распараллеливания квантовых вычислений, открывая возможности для моделирования сложных систем.

В классических процессорах параллелизм достигается на разных уровнях – инструкций, данных и потоков, однако, в модульном квантовом оборудовании, вычисления факторизуются: траектория в обобщенном пространстве Блоха разбивается на независимые блоки, измеряемые локально для каждого подсистемы, а глобальный результат восстанавливается посредством классической агрегации, демонстрируя иной подход к параллелизму, основанный на локальных операциях и влиянии, а не централизованном контроле.

В данной работе демонстрируется протокол и архитектура распараллеливания на уровне потоков для квантовых вычислений, позволяющий масштабировать симуляцию неэрмитовых гамильтонианов и расширить возможности текущего квантового оборудования за счет распределения вычислений между кластерами КПУ.

Масштабирование квантовых устройств представляет собой ключевую проблему для реализации практических квантовых вычислений, сталкиваясь с ограничениями монолитных чипов и хрупких соединений. В работе ‘Realization of Thread Level Parallelism on Quantum Devices’ предложен классический метод связывания, объединяющий несколько независимых квантовых процессоров (QPU) в единое логическое устройство, обеспечивая параллелизм на уровне потоков. Показано, что квантовые рутины с входами в виде произведений состояний и слоями запутанности низкого ранга могут быть эффективно перефразированы для параллельного выполнения. Открывает ли данная архитектура путь к созданию программно-определяемых, кластеризованных квантовых ускорителей и расширению возможностей современных квантовых аппаратных средств?

За Пределами Эрмитовости: Моделирование Открытых Квантовых Систем

Традиционная квантовая механика основывается на эрмитовых гамильтоновых операторах, подразумевающих замкнутость систем – упрощение, редко встречающееся в реальности. Многие физические системы являются ‘открытыми’, взаимодействуя с окружающей средой, что приводит к неэрмитовой динамике. Для их адекватного описания необходимы неэрмитовы операторы, учитывающие взаимодействие с окружающей средой. Такой подход открывает возможности для изучения широкого спектра явлений.

Линейная комбинация гамильтоновых симуляций позволяет исследовать временную эволюцию средних значений операторов σy,z и случайного эрмитова наблюдаемого под неэрмитовым гамильтоном, при этом экспериментальные данные (сплошные линии с заполненными точками) согласуются с результатами моделирования (сплошные линии с пустыми точками) и расчетами из первых принципов (пунктирные линии), а также демонстрируют соответствие результатов, полученных при более длительной эволюции по мнимому времени (пунктирно-штриховые линии).

Целостная картина возникает не из отдельных элементов, а из незримых связей, формирующих порядок, недоступный для прямого контроля.

Скрытая Динамика: Вызовы Неэрмитова Моделирования

Точное моделирование систем, описываемых неэрмитовым гамильтонианом, представляет собой значительную вычислительную задачу. Традиционные методы часто ограничены при работе с открытыми квантовыми системами из-за диссипации и декогеренции. Непосредственное решение зависящего от времени уравнения Шрёдингера становится невозможным для сложных систем из-за экспоненциального роста вычислительных затрат.

Экспериментальная квантовая схема для подготовки четырехкубитного GHZ-состояния реализована с использованием линейной комбинации локальных операций вместо CZ-гейта между кубитами 2 и 3, при этом восстановленные матрицы плотности, полученные данным методом, и состояния, полученные при обрыве схемы, демонстрируют соответствие с целевым значением (отображенным прозрачными блоками).

Разработка эффективных методов моделирования критически важна для изучения динамики открытых квантовых систем, учитывающих эффекты диссипации и обеспечивающих вычислительную эффективность.

Мнимое Время: Поиск Основного Состояния

Эволюция во мнимом времени – эффективный метод поиска основного состояния квантовой системы, включая неэрмитовы системы. Данный подход упрощает вычислительную задачу, позволяя избежать прямого решения стационарного уравнения Шрёдингера. Начальное состояние сходится к основному состоянию, обеспечивая стабильное решение для систем со сложными потенциалами или взаимодействиями.

Реализованная методика демонстрирует высокую точность, подтвержденную сравнением с точной диагонализацией и численными симуляциями. Достигнутая верность эволюции во мнимом времени составляет 99.5%.

Разложение Троттера: Путь к Эффективному Моделированию

Разложение Троттера предоставляет эффективный способ аппроксимации оператора временной эволюции, позволяя моделировать сложные системы за счет представления оператора в виде произведения более простых членов. Особую ценность данная техника приобретает в сочетании с эволюцией во мнимом времени, эффективно вычисляя основные состояния для неэрмитовых систем.

Разработана масштабируемая архитектура, демонстрирующая точность моделирования неэрмитовых систем, превышающую 99.5%, подтвержденную численными симуляциями методом Троттера и алгоритмом LCHS. Успешно подготовлено 4-кубитное GHZ-состояние с точностью 93.8%. Среднее абсолютное отклонение составляет 0.116 для неэрмитовых симуляций и 0.136 для эволюции во мнимом времени. Каждая точка взаимодействия несет влияние, и порядок возникает не из директив, а из локальных правил самоорганизации.

Исследование демонстрирует, что сложные системы могут достигать порядка не через централизованное управление, а посредством взаимодействия локальных правил, подобно тому, как коралловый риф формирует экосистему. Авторы предлагают архитектуру, распределяющую вычисления по кластеру квантовых процессоров, что позволяет масштабировать моделирование не-эрмитовых гамильтонианов. Этот подход, подобно естественной самоорганизации, позволяет преодолеть ограничения текущего аппаратного обеспечения. Как однажды заметил Эрвин Шрёдингер: «Не существует ничего более практичного, чем хорошая теория». Эта фраза отражает суть представленной работы – теоретическое обоснование и практическая реализация нового подхода к квантовым вычислениям, стремящегося к эффективному использованию доступных ресурсов.

Что впереди?

Представленная работа демонстрирует не столько «управление» параллелизмом, сколько его естественное возникновение в распределенной системе. Попытки навязать глобальную структуру квантовым вычислениям часто оказываются контрпродуктивными. Более перспективным представляется позволить локальным взаимодействиям между вычислительными узлами – кластером QPU – формировать вычислительный процесс. По сути, система сама находит оптимальные пути решения, а не следует заранее заданным инструкциям.

Ограничения текущего подхода очевидны: сложность координации между узлами, необходимость оптимизации передачи данных и, конечно, несовершенство самих QPU. Однако, ключевая проблема заключается не в «устранении» этих ограничений, а в их принятии как неотъемлемой части системы. Иллюзия контроля над квантовыми процессами должна уступить место пониманию их адаптивной природы. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение возникающих коллективных свойств, а не на навязывание жестких рамок.

Интересным направлением представляется исследование возможности применения данной архитектуры для моделирования более сложных, негерцевых систем, где динамика определяется не только гамильтонианом, но и диссипацией, и обратной связью. В конечном счете, задача состоит не в создании идеального квантового компьютера, а в построении системы, способной к самоорганизации и адаптации к меняющимся условиям.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.05436.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-11 00:29

🚀 Квантовые новости