Алгоритмическое охлаждение: различия между версиями

'''Практичное алгоритмическое охлаждение'''

Практичное алгоритмическое охлаждение (PAC), предложенное Фернандесом, Ллойдом, Мором и Ройчоудхури в [8], показало потенциал для применения в ЯМР-спектроскопии в ближайшем будущем. В частности, авторы представили алгоритм под названием PAC2, который использует любое (нечетное) число спинов n, такое, что один из них является сбрасывающим спином, а (n - 1) – вычислительными. Алгоритм PAC2 охлаждает спины так, что самый холодный из них может (приблизительно) достичь усиления смещения в <math>(3/2)^{(n - 1)/2}</math> раз. Приближение справедливо до тех пор, пока конечное смещение <math>(3/2)^{(n - 1)/2} \epsilon</math> много меньше 1. В противном случае необходимо проводить более точную обработку. Это доказывает экспоненциальное преимущество алгоритмического охлаждения перед наилучшим возможным обратимым вариантом алгоритмического охлаждения, поскольку такие обратимые методы охлаждения, например, из [13, 14], ограничены улучшением смещения не более чем в <math>\sqrt{n}</math> раз. PAC можно применять при малых n (например, в диапазоне 10–20), и поэтому он потенциально подходит для перспективного применения [6, 8, 10] в химической и медико-биологической ЯМР-спектроскопии.

Далее был проанализирован алгоритм охлаждения, в котором этапы охлаждения (сброс и обратимое поляризационное сжатие) повторяются произвольное число раз. Фактически это идеализация, когда неограниченное число шагов сброса и логических шагов может быть применено без ошибок или рассогласования, а вычислительные кубиты не теряют своих поляризационных смещений. Фернандес [7] рассмотрел два вычислительных спина и один сбрасываемый спин (наименьший значащий бит, а именно кубит с правой стороны в нотации матрицы плотности тензорного произведения) и проанализировал оптимальное охлаждение этой системы. Исчерпывающим образом повторяя сброс и сжатие, он обнаружил, что граница конечных смещений трех спинов приблизительно равна {2, 1, 1} в единицах <math>\epsilon</math> – поляризационного смещения сбрасывающего спина.

Мор и Вайнштейн обобщили этот анализ и обнаружили, что n - 1 вычислительных спинов и один сбрасывающий спин могут быть охлаждены (приблизительно) до смещений в соответствии с рядом Фибоначчи: {... 34, 21, 13, 8, 5, 3, 2, 1, 1}. Вычислительный спин, наиболее удаленный от сбрасывающего спина, может быть охлажден до соответствующего числа Фибоначчи <math>F_n</math>. Это приближение справедливо до тех пор, пока наибольший член, кратный <math>\epsilon</math>, все еще намного меньше 1. Затем Шульман предложил «алгоритм сопряжения партнеров» (PPA) и доказал оптимальность PPA среди всех ''классических и квантовых'' алгоритмов. Эти два алгоритма, Фибоначчи-охлаждение и PPA, стали основной для двух совместных работ [11, 12], где также были получены верхние и нижние границы для алгоритмического охлаждения. Алгоритм сопряжения партнеров. определяется следующим образом. Повторяйте эти два шага, пока охлаждение не будет достаточно близким к пределу: (а) RESET – применяется к сбрасывающему спину в системе, содержащей n - 1 вычислительных спинов и один (представляющий наименьший значащий бит) сбрасывающий. (b) SORT – перестановка, сортирующая <math>2^n</math> диагональных элементов матрицы плотности по убыванию, так что спин с наибольшим значащим битом становится самым холодным. В работе [12] доказаны две важные теоремы:  

 

 

Впоследствии Элиас, Фернандес, Мор и Вайнштейн [6] более тщательно проанализировали случай n < 15 (при комнатной температуре), когда самый холодный спин (на всех стадиях) все еще имеет поляризационное смещение намного меньше 1. Этот случай наиболее актуален для применения в ЯМР-спектроскопии. Они обобщили принцип Фибоначчи-охлаждения на алгоритмы, дающие ряды Фибоначчи более высокого порядка, такие как трибоначчи (также известный как 3-кратный ряд Фибоначчи), {... 81, 44, 24, 13, 7, 4, 2, 1, 1} и т. д. Конечный предел этих многочленных рядов Фибоначчи имеет место, когда каждый член ряда равен сумме всех предыдущих. Полученный ряд в точности является экспоненциальным {... 128, 64, 32,16, 8, 4, 2, 1, 1}, так что самый холодный спин охлаждается в <math>2^{n - 2}</math> раз. Более того, анализ высшего порядка вышеупомянутого верхнего предела (раздел 4.2 в [12]), показывает, что ни один спин не может быть охлажден больше, чем в <math>2^{n - 1}</math> раз; см. следствие 1 в [6].

Два основных направления применения для отдаленного и близкого будущего уже упомянуты в разделе «Постановка задачи». Здесь важно добавить, что хотя конкретные алгоритмы, проанализированные до сих пор, обычно являются классическими, практическая реализация алгоритмического охлаждения на ЯМР-спектрометре должна быть осуществлена путем анализа универсальных квантовых вычислений с использованием определенных вентилей, допустимых в таких системах. Таким образом, алгоритмическое охлаждение может стать первым ближайшим механизмом применения квантовых вычислительных устройств.

Основная открытая проблема практического применения алгоритмического охлаждения лежит в технологической области: можно ли увеличить соотношение времен релаксации таким образом, чтобы можно было применять много ступеней охлаждения для соответствующих ЯМР-систем? Другие методы, например механизм спиновой диффузии [1], также могут быть полезны для различных сфер применения.

Различные идеи алгоритмического охлаждения уже привели к нескольким экспериментам с использованием 3-4-кубитных квантовых вычислительных устройств:  

 

1. Эксперимент [4], в котором был реализован один проход обратимого поляризационного сжатия.  

 

2. Эксперимент [3], в котором были обойдены границы сохранения энтропии (действующие в любой замкнутой системе).  

 

3. Полномасштабный эксперимент с алгоритмическим охлаждением [1], в котором три ядра углерода инициализируются смещением спина водорода, а затем выполняется один шаг сжатия этих трех ядер углерода.