Прорыв в нелинейной динамике: микроскопическая алгоритмическая технология MLGO и квантовая виртуальная временная эволюция для моделирования открытых квантовых систем

В настоящее время, когда квантовые вычисления быстро движутся к инженерной реализации и практическому применению, вопрос о том, как эффективно и стабильно моделировать сложные квантовые системы в условиях реального квантового оборудования, становится одной из ключевых технических проблем, сдерживающих развитие отрасли. Компания Weigaoruanji Technology (микроалгоритмы) в сфере квантовых технологий представила технологию открытого цифрового квантового моделирования, основанную на улучшенной квантовой мнимовременной эволюции (Quantum Imaginary Time Evolution, QITE). Впервые в единой цифровой квантовой вычислительной платформе эта технология обеспечивает управляемое моделирование динамики открытых квантовых систем, описываемой уравнением Линблада (Lindblad).

Квантовое моделирование долгое время считалось одним из наиболее практически значимых направлений применения квантовых вычислений. От физики конденсированного состояния и квантовой химии до квантовых материалов и проектирования квантовых устройств квантовое моделирование играет незаменимую роль. Однако существующие технологии квантового моделирования в основном сосредоточены на замкнутых квантовых системах, то есть предполагают, что процесс эволюции системы является унитарным и полностью изолирован от внешней среды. Эта предпосылка обладает высокой ценностью в теоретических исследованиях, но в реальном физическом мире она трудно выполнима. Реальные квантовые системы неизбежно взаимодействуют со средой, и именно эффекты декогеренции, диссипации, флуктуаций и т.п. являются корнями многих ключевых физических явлений.

Динамика открытых квантовых систем обычно описывается главным уравнением Линблада (Lindblad master equation). Это уравнение использует матрицу плотности в качестве базовой величины и вводит неунитарные диссипативные члены, позволяя системно описывать необратимые процессы, индуцированные средой. Однако именно эта неунитарность делает так, что динамику Линблада нельзя напрямую сопоставить с выполнением на цифровом квантовом компьютере. Текущие основные алгоритмические рамки квантовых вычислений основываются на операциях унитарных затворов, тогда как эволюция Линблада по своей сути не соответствует одному единственному унитарному оператору — это и создает фундаментальный вызов на уровне алгоритмов.

Столкнувшись с этой задачей, Microalgorithm Technology (NASDAQ:MLGO) не пошла по пути традиционного явного кодирования среды или подходов случайных квантовых траекторий, а выбрала направление квантовой мнимовременной эволюции, которое в последние годы быстро развивается, и систематически расширила и переосмыслила его. Квантовая мнимовременная эволюция изначально была предложена для поиска основного состояния многочастичных систем на квантовом компьютере. Ее ключевая идея состоит в том, что эволюция вдоль мнимого времени подавляет вклад высокоэнергетических состояний по экспоненте, после чего система постепенно проецируется в пространство низкоэнергетических состояний. Хотя сама мнимовременная эволюция является неунитарным процессом, алгоритм QITE с помощью локализованных приближений отображает общую неунитарную эволюцию в ряд локальных унитарных операций, которые можно реализовать на квантовом оборудовании.

Технический прорыв Microalgorithm Technology опирается на глубокое понимание базовой структуры алгоритма QITE. Команда Microalgorithm Technology указывает, что хотя динамика Линблада и не эквивалентна полностью мнимовременной эволюции в физическом смысле, обе они на математическом уровне включают неунитарные генераторы. Это ключевое наблюдение закладывает теоретическую основу для объединения алгоритмов. Путем переразложения супероператора Линблада и введения эквивалентного представления мнимовременной эволюции разработана новая рамка цифрового квантового моделирования, в которой эволюция открытой системы может быть встроена в алгоритмическую парадигму QITE.

В данной технологической рамке динамика открытой квантовой системы больше не рассматривается напрямую как задача эволюции матрицы плотности, а перестраивается в набор управляемых шагов мнимовременной эволюции, которые можно постепенно аппроксимировать. На каждом временном шаге неунитарная эволюция системы разлагается на комбинацию нескольких локальных генераторов и посредством минимизации расхождения состояний на локальном подсистемном уровне определяется соответствующий оператор унитарной аппроксимации. Этот процесс наследует ключевую идею алгоритма QITE — ограничивать глобальную эволюцию локальными наблюдаемыми измерениями — и при этом выполняется адаптированное проектирование под диссипативную структуру, характерную для уравнения Линблада.

Алгоритм не просто рассматривает члены Линблада как добавочный шум, а использует их как управляемый ресурс динамики. Точно характеризуя способ действия диссипативных операторов в локальном подпространстве, алгоритм может явно воспроизводить в квантовой цифровой цепи эффекты эволюции, индуцируемые средой. Такой подход позволяет моделированию не только отражать свойства установившегося состояния системы, но и улавливать ключевые особенности процессов неравновесной динамики, например фазовые переходы, индуцированные диссипацией, структуру метастабильных состояний и поведение системы на временах большой длительности.

С точки зрения технической реализации решение Microalgorithm Technology (NASDAQ:MLGO) в полной мере учитывает реальные ограничения текущего и ближайшего квантового оборудования. Весь алгоритмический процесс спроектирован с целью использования мелкомасштабных квантовых схем, избегая зависимости от крупномасштабных вспомогательных квантовых кубитов или глубокой структуры перепутывания. Шаги локализованного обновления QITE естественным образом согласуются с архитектурой оборудования с ближайшим соседним соединением, а требуемые измерительные операции в основном концентрируются на измерениях низкого порядка локальных наблюдаемых, эффективно контролируя издержки на измерения. Такая дружественность к оборудованию делает эту технологию практически реализуемой в эпоху шумных квантовых устройств NISQ.

С точки зрения устойчивости алгоритма Microalgorithm Technology вводит адаптивную длину временного шага и стратегии нормировки, чтобы справляться с проблемой быстрого затухания амплитуд вероятности в ходе мнимовременной эволюции. Путем динамической корректировки длины шага эволюции и точности локального приближения алгоритм может постепенно приближать траектории реальной динамики Линблада при сохранении численной устойчивости. Такой замысел не только повышает точность моделирования, но и существенно расширяет моделируемый временной масштаб, делая возможными исследования динамики на больших временах.

С прикладной точки зрения потенциальная ценность этой технологии весьма широка. В области квантовых материалов многие ключевые свойства определяются эффектами открытых систем, например топологические состояния, связанные с взаимодействием со средой, и упорядоченные структуры, индуцированные диссипацией. В инженерии квантовых устройств понимание и моделирование механизмов декогеренции критически важно для оптимизации дизайна кубитов. Кроме того, в квантовой термодинамике, квантовой биологии и обработке квантовой информации открытые квантовые системы неизбежно являются объектами исследований.

На уровне методологии это достижение демонстрирует путь развития, на который стоит обратить внимание: оно показывает, что неунитарная динамика не является естественным запретным полем для цифровых квантовых вычислений; благодаря переработке структуры алгоритма и переосмыслению физического смысла полностью можно обеспечить эффективное описание сложного поведения открытых систем в модели унитарных затворов. Предложенная эта идея имеет глубокое практическое значение для будущего проектирования квантовых алгоритмов.

Microalgorithm Technology сообщает, что на следующем этапе планируется дополнительно оптимизировать параллелизацию алгоритма и изучить потенциал его применения в распределенных квантовых вычислениях и в гибридных квантово-классических архитектурах. Кроме того, эта технология также может образовать синергию с такими направлениями, как снижение ошибок и квантовое управление, для создания более надежной платформы квантового моделирования.

В тот момент, когда квантовые вычисления постепенно переходят от проверки реализуемости к ключевой стадии инженерной практической пригодности, Microalgorithm Technology (NASDAQ:MLGO) проводит систематические исследования, сосредоточенные вокруг квантовой мнимовременной эволюции и открытых квантовых систем. Без сомнения, это дает отрасли перспективный технический пример. Сочетая глубокое физическое понимание с реальными ограничениями оборудования, эта технология не только расширяет границы возможностей цифрового квантового моделирования, но и открывает новое окно для понимания квантовых явлений в реальном мире.

(Редактор: Дун Пинпин ）

     【Отказ от ответственности】Настоящая статья отражает только личные взгляды автора и не имеет отношения к Hexun. Веб-сайт Hexun сохраняет нейтральность в отношении изложенных в статье утверждений и оценок, и не предоставляет никаких явных или подразумеваемых гарантий относительно точности, надежности или полноты содержащейся информации. Просим читателей использовать материал только в справочных целях и самостоятельно нести всю ответственность. Email：news_center@staff.hexun.com