Briser le goulot d'étranglement de la dynamique non unitaire : la micro-algorithme MLGO, la technologie quantique, l'évolution du vide quantique et leur contribution à la simulation de systèmes quantiques ouverts

À l’heure actuelle, où l’informatique quantique se dirige rapidement vers l’industrialisation et l’exploitation applicative, la question de savoir comment simuler efficacement et de manière stable des systèmes quantiques complexes dans des conditions de matériel quantique réel devient l’un des problèmes techniques clés qui freinent le développement de l’industrie. MicroAlgo Science & Technology Quantum Science publie une technologie de simulation numérique quantique open-source de systèmes quantiques ouverts basée sur une Quantum Imaginary Time Evolution (QITE) améliorée ; cette technologie, pour la première fois dans un cadre unifié de calcul quantique numérique, permet une simulation contrôlable de la dynamique de systèmes quantiques ouverts décrits par l’équation de Lindblad.

La simulation quantique a toujours été considérée comme l’une des orientations d’application les plus concrètes pour l’informatique quantique. De la physique de la matière condensée à la chimie quantique, en passant par la conception de matériaux quantiques et de dispositifs quantiques, la simulation quantique joue un rôle irremplaçable. Cependant, la plupart des technologies de simulation quantique existantes se concentrent sur des systèmes quantiques fermés, c’est-à-dire en supposant que l’évolution du système est unitaire et complètement isolée de l’environnement extérieur. Cette hypothèse a une grande valeur dans la recherche théorique, mais elle est difficile à satisfaire dans le monde physique réel. Les systèmes quantiques réels interagissent inévitablement avec l’environnement ; les effets qui en résultent, tels que la décohérence, la dissipation et les fluctuations, sont précisément à l’origine de nombreux phénomènes physiques clés.

La dynamique des systèmes quantiques ouverts est généralement décrite par la principale équation de Lindblad, qui prend la matrice de densité comme variable fondamentale et introduit des termes de dissipation non unitaires, permettant de décrire de manière systématique les processus irréversibles induits par l’environnement. Cependant, c’est justement la non-unitarité de cette dynamique qui rend la dynamique de Lindblad difficile à mapper directement sur un ordinateur quantique numérique pour l’exécuter. Les cadres d’algorithmes quantiques dominants actuels reposent sur des opérations par portes unitaires, tandis que l’évolution de Lindblad n’est pas, dans son essence, associée à un opérateur unitaire unique ; cela constitue un défi fondamental au niveau de l’algorithme.

Face à ce défi, MicroAlgo Science & Technology (NASDAQ:MLGO) n’a pas repris l’approche traditionnelle d’encodage explicite de l’environnement ni l’idée de trajectoires quantiques aléatoires. Elle a choisi de partir de l’évolution en temps imaginaire, direction en plein essor ces dernières années, pour l’étendre et la reconstruire de manière systématique. L’évolution en temps imaginaire a d’abord été proposée pour trouver l’état fondamental de systèmes à plusieurs corps sur un ordinateur quantique ; son idée centrale consiste à évoluer dans la direction du temps imaginaire afin de supprimer l’exponentielle des états à haute énergie, puis à projeter progressivement le système dans le sous-espace de basses énergies. Bien que l’évolution en temps imaginaire elle-même soit un processus non unitaire, l’algorithme QITE, grâce à des approximations localisées, transforme l’évolution non unitaire globale en une série d’opérations unitaires localisées réalisables sur le matériel quantique.

La percée technique de MicroAlgo Science & Technology repose précisément sur une compréhension approfondie de la structure sous-jacente de l’algorithme QITE. L’équipe de MicroAlgo Science & Technology indique que, bien que la dynamique de Lindblad ne soit pas totalement équivalente du point de vue de la signification physique à l’évolution en temps imaginaire au sens traditionnel, les deux font intervenir, du point de vue de la structure mathématique, des générateurs non unitaires. Cette observation clé fournit une base théorique pour l’intégration des algorithmes. En décomposant à nouveau le superopérateur de Lindblad et en introduisant une représentation équivalente d’évolution en temps imaginaire, l’on construit un nouveau cadre de simulation quantique numérique permettant d’intégrer l’évolution des systèmes ouverts dans le paradigme algorithmique de QITE.

Dans ce cadre technique, la dynamique des systèmes quantiques ouverts n’est plus directement considérée comme un problème d’évolution de la matrice de densité ; elle est reconstruite comme une série d’étapes d’évolution en temps imaginaire contrôlées et qui peuvent être approchées progressivement. À chaque pas de temps, l’évolution non unitaire du système est décomposée en une combinaison de plusieurs générateurs localisés, et un opérateur d’approximation unitaire correspondant est déterminé en minimisant la différence d’état sur le sous-système local. Ce processus hérite de l’idée centrale de QITE consistant à contraindre l’évolution globale par des mesures locales, tout en introduisant une conception sur mesure visant la structure de dissipation propre à l’équation de Lindblad.

L’algorithme ne traite pas simplement les termes de Lindblad comme un bruit additif ; il les utilise comme une ressource de dynamique contrôlable. En décrivant précisément la manière dont les opérateurs de dissipation agissent dans l’espace des sous-espaces localisés, l’algorithme peut reproduire explicitement dans les circuits quantiques numériques les effets d’évolution induits par l’environnement. Cette approche permet non seulement de refléter les propriétés de l’état stationnaire du système, mais aussi de capter les caractéristiques clés des processus de dynamique hors équilibre, par exemple les transitions de phase pilotées par la dissipation, les structures métastables et le comportement de la dynamique sur de longues durées.

Du point de vue de la mise en œuvre technique, la solution de MicroAlgo Science & Technology (NASDAQ:MLGO) tient pleinement compte des limitations réelles du matériel quantique actuel et récent. L’ensemble du flux d’algorithme vise des circuits quantiques à profondeur faible, évitant la dépendance à de grands nombres de qubits auxiliaires ou à des structures d’intrication profonde. Les étapes de mise à jour QITE localisées s’adaptent naturellement aux architectures matérielles à couplage de voisins, tandis que les opérations de mesure requises par l’algorithme se concentrent principalement sur des mesures locales d’ordre faible, contrôlant efficacement le coût de mesure. Cette compatibilité matérielle rend la technologie réaliste à l’ère des dispositifs quantiques de taille intermédiaire tolérant au bruit (NISQ).

En termes de stabilité algorithmique, MicroAlgo Science & Technology introduit des stratégies d’étape de temps adaptative et de normalisation afin de faire face au problème de décroissance rapide des amplitudes de probabilité pendant l’évolution en temps imaginaire. En ajustant dynamiquement la longueur des pas d’évolution et la précision de l’approximation locale, l’algorithme peut, tout en préservant la stabilité numérique, s’approcher progressivement des trajectoires réelles de dynamique de Lindblad. Cette conception améliore non seulement la précision de simulation, mais élargit aussi de manière significative les échelles de temps simulables, rendant possible la recherche sur la dynamique de longue durée.

Du point de vue applicatif, la valeur potentielle de cette technologie est très large. Dans le domaine des matériaux quantiques, de nombreuses propriétés clés sont dominées par des effets de systèmes ouverts, tels que des états topologiques couplés à l’environnement, ou des structures ordonnées induites par la dissipation, etc. En ingénierie de dispositifs quantiques, comprendre et simuler les mécanismes de décohérence est crucial pour optimiser la conception des qubits. En outre, dans la thermodynamique quantique, la biologie quantique et le traitement de l’information quantique, les systèmes quantiques ouverts sont des objets de recherche incontournables.

Cette réalisation démontre, au niveau méthodologique, une voie de développement qui mérite d’être suivie. Elle indique que la dynamique non unitaire n’est pas une zone naturellement interdite pour le calcul quantique numérique : grâce à une redéfinition de la structure de l’algorithme et à une nouvelle interprétation des significations physiques, il est tout à fait possible de caractériser efficacement des comportements de systèmes ouverts complexes dans le modèle des portes unitaires. Cette idée, proposée ainsi, revêt une signification profonde pour la conception des futurs algorithmes quantiques.

MicroAlgo Science & Technology indique que, pour la prochaine étape, elle prévoit d’optimiser davantage la parallélisation de l’algorithme et d’explorer son potentiel d’application dans le calcul quantique distribué et dans des architectures hybrides quantique-classique. Par ailleurs, cette technologie est également susceptible de créer des synergies avec des axes comme l’atténuation des erreurs et le contrôle quantique, afin d’établir une base solide pour construire une plateforme de simulation quantique plus fiable.

À mesure que l’informatique quantique passe progressivement de la validation de faisabilité à l’étape cruciale de l’usage industriel, MicroAlgo Science & Technology (NASDAQ:MLGO), avec son exploration systématique autour de l’évolution en temps imaginaire quantique et des systèmes quantiques ouverts, fournit sans aucun doute un exemple technique avant-gardiste pour l’industrie. En combinant des connaissances physiques approfondies avec les contraintes réelles du matériel, cette technologie élargit non seulement les limites des capacités de la simulation quantique numérique, mais ouvre aussi une nouvelle fenêtre pour comprendre les phénomènes quantiques du monde réel.

(Rédacteur en chef : Dong Pingping ）

     【Avis de non-responsabilité】Le présent article ne représente que les opinions de l’auteur lui-même, et n’a aucun rapport avec Hexun. Le site Hexun reste neutre à l’égard des déclarations et des jugements d’opinion figurant dans l’article, et ne fournit aucune garantie explicite ou implicite concernant l’exactitude, la fiabilité ou l’exhaustivité du contenu inclus. Les lecteurs sont priés de ne s’en servir qu’à titre de référence et d’assumer l’entière responsabilité de leurs actes. Courriel : news_center@staff.hexun.com