Способ и система компенсации шумов на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций

Изобретение относится к способу и системе компенсации шумов при выполнении квантовых алгоритмов на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций. Технический результат заключается в обеспечении возможности корректировки ошибок квантового процессора при выполнении квантовых операций. В способе a) выполняют с помощью компьютера реального времени на квантовом процессоре первый набор цепочек операций для томографирования однокубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из первого набора является независимой по отношению к другим; b) выполняют с помощью компьютера реального времени на квантовом процессоре второй набор цепочек операций для томографирования двухкубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из второго набора является независимой по отношению к другим; c) отправляют по мере завершения цепочек операций из первого и второго наборов операций в управляющее устройство результаты измерений, полученных параллельно с выполнением последующих цепочек операций из первого и второго наборов; d) восстанавливают на управляющем устройстве квантовые каналы однокубитных и двухкубитных логических операций на основе измерений, полученных на этапах а) и b); e) восстанавливают на управляющем устройстве гамильтонианы на основе восстановленных каналов однокубитных и двухкубитных логических операций и результатов измерений; f) восстанавливают унитарные матрицы операций на управляющем устройстве на основе гамильтонианов, полученных на этапе e), которые характеризуют режим работы квантового процессора при выполнении алгоритмов; g) применяют полученный режим работы для компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области квантовых технологий, в частности, к способу и системе компенсации шумов при выполнении квантовых алгоритмов на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В настоящее время одной из важных особенностей современных квантовых устройств является высокий уровень ошибок однокубитных и двухкубитных операций, что требует тех или иных мер по их компенсации для увеличения точности выполнения алгоритмов.

[0003] Один из подходов, призванных решить данную проблему, - это использование алгоритмов квантовой коррекции ошибок (Joschka Roffe (2019) Quantum error correction: an introductory guide, Contemporary Physics, 60:3, 226-245), однако они требуют высокой изначальной точности операций, а также большого количества вспомогательных кубитов для избыточного кодирования информации, которое и защищает систему от ошибок. В связи с чем, применение таких алгоритмов в существующих на сегодняшний день системах либо невозможно, либо крайне неэффективно.

[0004] Еще один метод, призванный решить вышеуказанную проблему, основан на применении регулярных калибровок параметров системы для исключения их дрейфа, например, раскрытый в заявке на патент США № US 20200242502 A1 (CHEN JWO-SY [US] et al.), опубл. 30.07.2020. Такой подход лишь позволяет подобрать оптимальные параметры, максимизирующие точность операции, но не позволяет извлечь и использовать информацию об оставшихся ошибках. Помимо этого, последовательность действий для калибровки операций задается каждый раз при помощи управляющего компьютера, что увеличивает время выполнения процедуры из-за задержки на передачу данных между управляющим компьютером и компьютером реального времени.

[0005] Таким образом, общим недостатком решений, известных из уровня техники, является отсутствие решения, обеспечивающего быстрое и автоматическое проведение квантовой томографии операций, позволяющее получать информацию об ошибках квантового процессора и компенсировать указанные ошибки при выполнении алгоритмов.

Кроме того, такого рода решение должно обеспечивать возможность компенсации большого спектра шумов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В заявленном техническом решении предлагается новый подход к эффективной компенсации шумов в квантовом процессоре.

[0007] Технический результат заключается в обеспечении возможности корректировки ошибок квантового процессора при выполнении квантовых операций.

[0008] Еще один технический результат заключается в сокращении времени, затрачиваемого на устранение ошибок в квантовом процессоре при выполнении квантовых операций.

[0009] Еще один технический результат заключается в повышении точности квантовых вычислений.

[0010] Указанные технические результаты достигаются благодаря осуществлению способа компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций, выполняющимся по меньшей мере одним вычислительным устройством, и содержащим этапы, на которых:

a) выполняют, с помощью компьютера реального времени, на квантовом процессоре первый набор цепочек операций для томографирования однокубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из первого набора является независимой по отношению к другим;

b) выполняют, с помощью компьютера реального времени, на квантовом процессоре второй набор цепочек операций для томографирования двухкубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из второго набора является независимой по отношению к другим;

c) отправляют, по мере завершения цепочек операций из первого и второго набора цепочек операций, в управляющее устройство, результаты измерений, полученных параллельно с выполнением последующих цепочек операций из первого и второго набора;

d) восстанавливают, на управляющем устройстве, квантовые каналы однокубитных и двухкубитных логических операций, на основе измерений, полученных на этапах а) и b);

e) восстанавливают, на управляющем устройстве, гамильтонианы, на основе восстановленных каналов однокубитных и двухкубитных логических операций, и результатов измерений;

f) восстанавливают унитарные матрицы операций, на управляющем устройстве, на основе гамильтонианов, полученных на этапе е), которые характеризуют режим работы квантового процессора при выполнении алгоритмов;

g) применяют полученный режим работы для компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре.

[0011] В одном из частных вариантов реализации способа результаты измерений представлены по меньшей мере в виде строчек из N чисел {b}, каждое из которых соответствует населенности состояния |1〉 каждого из кубитов.

[0012] В еще одном частном варианте реализации способа восстановление унитарных матриц операций выполняется посредством решения уравнения Шредингера для восстановленных гамильтонианов.

[0013] В еще одном частном варианте реализации способа режим работы квантового процессора представляет собой параметры импульсов при выполнении алгоритма на квантовом процессоре.

[0014] В еще одном частном варианте реализации способа параметры импульсов представляют собой по меньшей мере интенсивность и длительность импульсов.

[0015] В еще одном частном варианте реализации способа управляющее устройство представляет собой по меньшей мере компьютер и/или планшет.

[0016] Кроме того, заявленные технические результаты достигаются за счет системы компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций, содержащей:

- по меньшей мере одно управляющее устройство, функционально связанное с по меньшей мере одним компьютером реального времени и квантовым процессором, содержащее процессор и память, хранящую машиночитаемые инструкции, которые при их выполнении процессором реализуют способ по любому из п.п. 1-6;

- квантовый процессор;

- компьютер реального времени.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Фиг. 1 иллюстрирует блок-схему способа компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций.

[0018] Фиг. 2 иллюстрирует общую схему системы компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций.

[0019] Фиг. 3 иллюстрирует пример цепочки операций при выполнении томографии однокубитных логических вентилей.

[0020] Фиг. 4 иллюстрирует схему томографии двухкубитных логических вентилей.

[0021] Фиг. 5 иллюстрирует пример общего вида элементов вычислительной системы, которая обеспечивает реализацию заявленного решения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Заявленное техническое решение предлагает новый подход, обеспечивающий возможность компенсации шумов при выполнении квантовых алгоритмов на квантовом процессоре за счет уточнения параметров квантовых операций, фактически реализующихся на квантовом процессоре, что, как следствие, повышает точность реализации алгоритмов. Кроме того, указанное техническое решение повышает скорость и сокращает время, необходимое на выполнение квантовой томографии однокубитных и двухкубитных логических вентилей, за счет возможности выполнения цепочек операций в параллельном режиме.

[0023] На Фиг. 1 представлена блок схема способа компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций (100), который раскрыт поэтапно более подробно ниже. Указанный способ (100) заключается в выполнении этапов, направленных на обработку различных физических явлений, происходящих в квантовом процессоре при квантовых вычислениях. Обработка, как правило, выполняется с помощью элементов системы, показанных на Фиг. 2, компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций (200), представленной, например, в виде управляющего устройства (210), функционально связанного с компьютером реального времени (220), квантовым процессором (230), причем компьютер (210) содержит процессор и память которая хранит машиночитаемые инструкции, которые при их выполнении процессором реализуют способ (100). Более подробно элементы системы (200) раскрыты ниже и на Фиг. 5.

[0024] На этапе (110) выполняется, с помощью компьютера реального времени, на квантовом процессоре первый набор цепочек операций для томографирования однокубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из первого набора является независимой по отношению к другим.

[0025] Задача квантовой томографии процесса (операций) заключается в возможности по известным входным и выходным квантовым состояниям восстановить преобразующий их процесс.

[0026] Квантовый вентиль (квантовый логический элемент, логическая операция) - это базовый элемент квантового компьютера, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определенному закону.

[0027] Квантовый процессор предназначен для реализации квантовых алгоритмов, которые представляют собой последовательность выполнений квантовых логических операций над квантовым регистром (в котором содержатся носители квантовой информации).

[0028] В общем случае квантовый алгоритм представляет собой последовательность квантовых логических операций, также именуемых квантовыми вентилями или гейтами. В зависимости от количества кубитов, на которые действует данная операция, различают следующие типы гейтов: однокубитные, двухкубитные, многокубитные (количество задействованных кубитов N>2). В данном решении термины квантовая логическая операция, квантовый логический вентиль, квантовый гейт являются взаимозаменяемыми.

[0029] Настоящее техническое решение направлено на определение режима работы квантового процессора, представленного в виде параметров импульсов для обеспечения компенсации шумов при выполнении алгоритмов. Описанный ниже подход позволяет получить полные данные об ошибках реализуемых квантовых операций и оптимизировать дальнейшие квантовые алгоритмы для максимальной компенсации этих ошибок. Указанный подход является гораздо более гибким и эффективным по сравнению с известными решениями из уровня техники, так как позволяет компенсировать больший спектр шумов. Автономная реализация томографических процедур компьютером реального времени также существенно экономит время на проведение этих действий за счет отсутствия задержки на передачу данных между ним и управляющим компьютером.

[0030] Для реализации способа (100), на этапах (110) и (120), система (200) отправляет управляющий сигнал о проведении томографии каналов однокубитных и двухкубитных логических операций на компьютер реального времени, такой как компьютер (220).

[0031] На фиг. 2 показан пример системы (200) компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций. Система (200) содержит управляющее устройство (210), компьютер реального времени (220), квантовый процессор (230).

[0032] Управляющее устройство, такое как устройство (210) может представлять собой любое стандартное вычислительное компьютерное устройство, содержащее процессор и память, хранящую инструкции, предписывающие процессору выполнять заданную последовательность действий. Основная задача устройства (210) осуществлять функциональное взаимодействие с элементами системы (200) и обрабатывать данные, полученные от указанных элементов системы (200). Так, устройством (210) в одном частном варианте осуществления может являться, например, компьютер, ноутбук и/или планшет и т.д. Более подробно элементы устройства (210) раскрыты на фиг. 5.

[0033] Компьютер реального времени, такой как компьютер (220) может представлять собой вычислительное устройство на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС, FPGA) с соответствующим программным обеспечением, модулем оперативной памяти, модулями цифрового и аналогового ввода/вывода сигналов и сетевым модулем для связи с управляющим компьютером. Указанное устройство выполнено с возможностью обмена данными с классическим управляющим устройством, например, устройством (210), генерации и считывания аналоговых и цифровых сигналов, необходимых для управления квантовым процессором, а также мониторинга его состояния и регистрации его выходных сигналов с временным разрешением не хуже 10 не. Более подробно элементы устройства (220) раскрыты на фиг. 5.

[0034] Компьютер реального времени имеет три режима работы: «ожидание», «выполнение алгоритма» и «выполнение томографии». В режиме «ожидание» компьютер реального времени выполняет мониторинг состояния квантового процессора, а также, при необходимости, обменивается данными с управляющим компьютером. Например, получает от него и загружает в свою встроенную память обновленные калибровочные параметры или следующую последовательность команд для выполнения на квантовом процессоре. В режиме «выполнение алгоритма» компьютер реального времени генерирует последовательность сигналов, обеспечивающих выполнение квантовым процессором команд, предварительно загруженных в память компьютера реального времени из управляющего компьютера. После этого осуществляется регистрация выходных сигналов квантового процессора при помощи аналоговых и цифровых входов компьютера реального времени и их передача управляющему компьютеру. При формировании управляющих сигналов используются калибровочные параметры, такие как длительности и амплитуды управляющих импульсов, соответствующие требуемым квантовым операциям, предварительно загруженные в память устройства.

[0035] В режиме «выполнение томографии» компьютер реального времени генерирует заложенную в его память последовательность сигналов, которая реализует на квантовом процессоре последовательности, подробно описанные далее, без перерыва между ними. По завершению каждой из последовательностей компьютер реального времени фиксирует выходные сигналы квантового процессора в своей памяти и передает их на управляющий компьютер по мере готовности (параллельно с выполнением следующих цепочек команд). Это обеспечивает ускорение выполнения процедуры томографии по сравнению с предложенными ранее устройствами, где перед каждой новой последовательностью команд происходил обмен данными с управляющим компьютером.

[0036] Квантовый процессор может представлять собой квантовый процессор на основе ионов в ловушках Пауля (см. Colin Bruzewicz, и др. Trapped-ion quantum computing: Progress and challenges. Applied Physics Reviews 6.2 (2019): 021314), способный выполнять однокубитные и двухкубитные операции, однако специалисту в данной области техники очевидно, что могут применяться и другие типы квантовых процессоров, известные из уровня техники.

[0037] На этапе (110), в процессе томографии компьютер реального времени сначала выполняет на квантовом процессоре набор операций для томографирования однокубитных вентилей. Указанные наборы цепочек операций могут быть предварительно определены и загружены в память компьютера реального времени (220). Управляющий сигнал о выполнении квантовой томографии компьютером (220) отправляет управляющий компьютер (210). В одном частном варианте осуществления отправка управляющего сигнала может происходить, например, в соответствии с заданными периодами времени, например, каждый час, раз в два часа и т.д. Определение наборов цепочек операций может происходить на управляющем устройстве (210). Построение цепочек может осуществляться на основе техники томографии набора гейтов, см., например: Erik Nielsen, John King Gamble, Kenneth Rudinger, Travis Scholten, Kevin Young, Robin Blume-Kohout, Gate Set Tomography, Quantum 5, 557 (2021). Конкретный вид цепочек операций может быть найден в соответствии с теорией из цитируемой выше работы и зависит от типа квантового процессора, так как каждый из них поддерживает свой набор операций, подлежащих исследованию. В предпочтительном варианте осуществления квантовый процессор представляет собой квантовый процессор на основе ионов в ловушках Пауля, способный выполнять однокубитные и двухкубитные операции. Стоит отметить, что частоту, с которой необходимо проводить процедуру томографии для достижения заданной точности зависит от долговременной стабильности параметров конкретного квантового процессора. Для характерных параметров существующих на сегодняшний день квантовых процессоров требуемая частота проведения томографии составляет раз в несколько часов. Соответственно длительность проведения томографии и скорость существенно влияют на общую производительность квантовых вычислений.

[0038] Для ясности изложения далее будет приведен пример построения цепочек для квантового процессора на основе ионов в ловушках Пауля, элементарными однокубитными операциями для которого являются RX[i](φ), RY[i](φ), представляющими собой повороты i-го кубита на сфере Блоха на угол ϕ вокруг осей X и Y, соответственно. Для томографии достаточно использования поворотов на фиксированный угол φ=π/2, матрицы которых представлены в примере 1.

Пример 1:

[0039] Элементарной двухкубитной операцией для ионного квантового процессора является XX[i,j](π/4), перепутывающая кубиты i и j, матрица которой представлена в примере 2.

Пример 2:

[0040] Рассмотрим квантовой процессор, состоящий из N кубитов. На первом шаге в режиме «выполнение томографии» компьютер реального времени запускает на квантовом процессоре набор из 56 цепочек {С}, изначально записанных в его память, каждая из которых содержит инициализацию всех кубитов в состоянии |0〉, применение идентичных для всех кубитов последовательностей из однокубитных вентилей RX[i](π/2), RY[i](π/2) и оканчивающиеся измерением каждого из кубитов в вычислительном базисе, что далее обозначено как M[i]. Запуск цепочек осуществляется путем подачи соответствующих аналоговых и цифровых управляющих сигналов на квантовый процессор. Каждая цепочка запускается n=10³-10⁵ раз. Данные последовательности закладываются в память компьютера реального времени один раз при его программировании, что позволяет ускорить время выполнения томографии за счет отсутствия задержек на передачу данных каждый раз при проведении данной процедуры. Для ионного квантового процессора такие цепочки могут быть выбраны в виде:

[0041] Пример цепочки №7 в стандартной записи квантовых алгоритмов представлен на Фиг. 3

[0042] Таким образом, на этапе (110) выполняются измерения каналов однокубитных операций. Указанные результаты измерений предназначены для восстановления квантовых каналов однокубитных операций.

[0043] Далее, на этапе (120) выполняют, с помощью компьютера реального времени, на квантовом процессоре второй набор цепочек операций для томографирования двухкубитных логических вентилей, причем каждая цепочка операций из второго набора является независимой по отношению к другим.

[0044] После проведения цепочек для восстановления квантовых каналов однокубитных операций компьютер реального времени запускает на квантовом процессоре цепочки для томографии двухкубитных вентилей XX[i,j](π/4) для каждой пары кубитов i и j (i,j=0,1,…,N-1,i≠j). Эти цепочки для ионного квантового процессора имеют вид, представленный на Фиг. 4, где в качестве операторов приготовления входных состояний V_k рассматриваются следующие операторы из набора из 4-х однокубитных вентилей {I, RX(π/2), RY(π/2), RY(π/2)Ry(π/2)}, а в качествуе U_k - один из набора из 3-х операторов {I,RX(π/2), RY(π/2)}, где I обозначает единичный оператор, (всего 4*4*3*3=144 цепочки).

[0045] Все представленные выше цепочки как для однокубитных, так и двухкубитных вентилей записываются в память компьютера реального времени один раз и независимы друг от друга, т.е. для выполнения одной из них не требуется знание результатов выполнения предыдущих, что и позволяет выполнять их без задержек друг за другом. По мере завершения выполнения цепочек компьютер реального времени передает результаты полученных измерений в виде строчек из N чисел {b}, каждое из которых соответствует населенности состояния |1〉 каждого из кубитов, на управляющий компьютер параллельно с выполнением следующих цепочек (этап (130)).

[0046] Далее способ переходит к этапу (140).

[0047] На этапе (140) восстанавливают, на управляющем устройстве, квантовые каналы однокубитных и двухкубитных операций, на основе измерений, полученных на этапах (110) и (120).

[0048] Управляющий компьютер на основе полученных данных восстанавливает квантовые каналы, соответствующие томографируемым операциям и операции считывания (например, каждый квантовый канал представляет собой 4×4 комплексную матрицу, описывающую преобразование векторизованной матрицы плотности входного однокубитного состояния). Для этого решается задача поиска наиболее правдоподобной формы каналов квантовых гейтов с учетом полученных после запуска цепочек результатов. В частности, решаемая задача может быть представлена в виде:

где обозначает канал, соответствующего вентилям или измерениям, - идеальный канал вентиля, gts представляет собой совокупность всех каналов для всех кубитов, - вероятность получения битовой строки b при запуске цепочки С и наборе каналов гейтов цепочки с gts, состоящего из обозначает норму Фробениуса, λ - параметр регуляризации.

[0049] После восстановления каналов однокубитных операций управляющий компьютер восстанавливает каналы двухкубитных вентилей по аналогии с однокубитными.

[0050] Таким образом, на этапе (140) выполняется восстановление квантовых каналов однокубитных и двухкубитных операций.

[0051] На этапе (150) восстанавливают, на управляющем устройстве, гамильтонианы, на основе восстановленных каналов однокубитных и двухкубитных операций, и результатов измерений.

[0052] На этапе (150), определив каналы одно-, двухкубитных гейтов и измерений, восстанавливаются соответствующие гамильтонианы максимально приближающие реальные операции квантового процессора. Для этого решается задача оптимизации

где квантовый канал, соответствующий действию нормированного гамильтониана H в течение единичного времени, - полученный на первом шаге в процессе решения задачи оптимизации (1) канал однокубитного вентиля g.

[0053] Для определения гамильтониана двухкубитного вентиля каждой пары кубитов (i,j) решается аналогичная задача оптимизации:

где обозначает полученные каналы вентилей

[0054] Далее способ (100) переходит к этапу (160)

[0055] На этапе (160) восстанавливают унитарные матрицы операций, на управляющем устройстве, на основе гамильтонианов, полученных на этапе (150), которые характеризуют режим работы квантового процессора при выполнении алгоритмов.

[0056] Для восстановления унитарных матриц, которые компенсирует шумы в квантовых вентилях, за счет получения режима работы квантового процессора, который представляет собой параметры импульсов, которые являются значениями указанных матриц, управляющее устройство (210) определяет вид матрицы путем решений уравнений Шредингера для полученных выше гамильтонианов.

[0057] После данной процедуры однокубитные вентили, реализуемые на квантовом процессоре, предполагаются реализующими унитарные матрицы вида

а двухкубитные - вида

[0058] Данный режим работы (унитарные матрицы гейтов) используются управляющим компьютером в дальнейшем на этапе транспиляции поступающих цепочек для запуска на квантовом процессоре, позволяя корректировать ошибки реальных квантовых операций и существенно увеличить точность квантовых вычислений. Так, режим работы квантового процессора может быть представлен через параметры импульсов, например интенсивность и длительность импульсов, которые и восстановлены в унитарных матрицах и отображают фактически реализуемые квантовые операции.

[0059] На этапе (170) применяют полученный режим работы для компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре.

[0060] На указанном этапе (170) управляющее устройство (210) загружает восстановленные унитарные матрицы операций в компьютер (220). Указанные матрицы корректируют ошибки, возникающие на квантовом процессоре при выполнении квантовых алгоритмов.

[0061] Поскольку для реализации квантовых алгоритмов есть универсальный набор логических операций, то получение восстановленных матриц гейтов и является указанным универсальным набором, который в дальнейшем используется в качестве элементарных инструкций, на которые раскладывается высокоуровневый алгоритм, выполняющийся на квантовом процессоре. Так, указанные параметры импульсов загружаются в компьютер (220) и обеспечивают компенсацию шумов (корректировку ошибок процессора) при выполнении алгоритмов на квантовом процессоре, за счет восстановления указанных параметров.

[0062] Таким образом, в приведенных материалах заявки раскрыт способ и система компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций, обеспечивающие возможность корректировки ошибок квантового процессора при выполнении квантовых операций, сокращении времени, затрачиваемого на устранение ошибок в квантовом процессоре при выполнении квантовых операций, повышении точности квантовых вычислений.

[0063] На Фиг. 5 представлен пример общего вида вычислительного устройства (300) на базе которого могут быть реализованы элементы системы (200), выполняющие заявленный способ (100), некоторые элементы системы (200) могут являться, например, сервером, персональным компьютером, частью вычислительного кластера, обрабатывающим необходимые данные для осуществления заявленного технического решения.

[0064] В общем случае устройство (300) содержит такие компоненты, как: один или более вычислительных блоков (301), например: ПЛИС, процессоры, по меньшей мере одну память (302), средство хранения данных (303), интерфейсы ввода/вывода (304), средство В/В (305), средство сетевого взаимодействия (306), которые объединяются посредством универсальной шины.

[0065] Вычислительный блок (301) представляет собой ПЛИС, по меньшей мере один процессор, графический процессор и т.д. Конкретный тип вычислительного блока может зависеть от типа устройства. Так, компьютер (220) содержит ПЛИС, компьютер (210) по меньшей мере один процессор. Вычислительный блок (301) выполнен с возможностью обеспечивать управление устройствами ввода-вывода (305) с временной точностью лучше 10 не, что необходимо при выполнении способа (100), а также обеспечивает коммуникацию с управляющим устройством. ПЛИС обеспечивает генерацию управляющих сигналов для квантового процессора на основе машиночитаемых команд, содержащихся в оперативной памяти (302), а также регистрацию результатов выполнения квантовым процессором алгоритмов, сохранение их в памяти (302) и передачу на управляющее устройство. Процессор может являться частью управляющего устройства (210) и выполнять основные вычислительные операции, необходимые для обработки данных при выполнении способа (100). Процессор исполняет необходимые машиночитаемые команды, содержащиеся в оперативной памяти (302).

[0066] Память (302), как правило, выполнена в виде ОЗУ и содержит необходимую программную логику, обеспечивающую требуемый функционал.

[0067] Средство хранения данных (303) может выполняться в виде HDD, SSD дисков, рейд массива, флэш-памяти, оптических накопителей информации (CD, DVD, MD, Blue-Ray дисков) и т.п. Средства (303) позволяют выполнять долгосрочное хранение различного вида информации.

[0068] Для организации работы компонентов устройства (300) и организации работы внешних подключаемых устройств применяются различные виды интерфейсов В/В (304). Выбор соответствующих интерфейсов зависит от конкретного исполнения вычислительного устройства, которые могут представлять собой, не ограничиваясь: SPI, I2C, SATA, параллельный порт и т.п.

[0069] Выбор интерфейсов (304) зависит от конкретного исполнения устройства (300).

[0070] В качестве средств В/В данных (305) может использоваться: цифро-аналоговые преобразователи, аналого-цифровые преобразователи, генераторы сигналов произвольной формы, оцифровщики видеосигналов, цифровые входы/выходы, синтезаторы синусоидальных аналоговых сигналов. Кроме того, для определенных элементов системы (200) средствами В/В могут являться клавиатура, джойстик, дисплей (сенсорный дисплей), монитор, сенсорный дисплей, тачпад, манипулятор мышь, световое перо, стилус, сенсорная панель, трекбол, динамики, микрофон, и т.п.

[0071] Средства сетевого взаимодействия (306) выбираются из устройств, обеспечивающий сетевой прием и передачу данных, например, Ethernet карту, WLAN/Wi-Fi модуль, Bluetooth модуль, BLE модуль, NFC модуль, IrDa, RFID модуль, GSM модем и т.п. С помощью средств (306) обеспечивается организация обмена данными между, например, устройством (210) и компьютером (220) по проводному или беспроводному каналу передачи данных, например, WAN, PAN, ЛВС (LAN), Интранет, Интернет, WLAN, WMAN или GSM.

[0072] Конкретный выбор элементов устройства (300) для реализации различных программно-аппаратных архитектурных решений может варьироваться с сохранением обеспечиваемого требуемого функционала.

[0073] Представленные материалы заявки раскрывают предпочтительные примеры реализации технического решения и не должны трактоваться как ограничивающие иные, частные примеры его воплощения, не выходящие за пределы испрашиваемой правовой охраны, которые являются очевидными для специалистов соответствующей области техники. Таким образом, объем настоящего технического решения ограничен только объемом прилагаемой формулы.

[0074] Настоящее изобретение было разработано в рамках реализации мероприятия №7 «Подготовка и подача патентных заявок» детализированного плана-графика за 2022 год программы деятельности Лидирующего исследовательского центра "Квантовые вычисления" (соглашение №014/20 от 18.05.2020), в соответствии с дорожной картой «сквозной» цифровой технологии - «Квантовые технологии» при поддержке Фонда НТИ и АО «РВК».

1. Способ компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций, выполняющийся по меньшей мере одним вычислительным устройством, содержащий этапы, на которых:

a) выполняют, с помощью компьютера реального времени, на квантовом процессоре первый набор цепочек операций для томографирования однокубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из первого набора является независимой по отношению к другим;

b) выполняют, с помощью компьютера реального времени, на квантовом процессоре второй набор цепочек операций для томографирования двухкубитных логических операций, причем каждая цепочка операций из второго набора является независимой по отношению к другим;

c) отправляют, по мере завершения цепочек операций из первого и второго наборов операций, в управляющее устройство результаты измерений, полученных параллельно с выполнением последующих цепочек операций из первого и второго наборов;

d) восстанавливают, на управляющем устройстве, квантовые каналы однокубитных и двухкубитных логических операций, на основе измерений, полученных на этапах а) и b);

e) восстанавливают, на управляющем устройстве, гамильтонианы на основе восстановленных каналов однокубитных и двухкубитных логических операций и результатов измерений;

f) восстанавливают унитарные матрицы операций, на управляющем устройстве, на основе гамильтонианов, полученных на этапе е), которые характеризуют режим работы квантового процессора при выполнении алгоритмов;

g) применяют полученный режим работы для компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что результаты измерений представлены по меньшей мере в виде строчек из N чисел {b}, каждое из которых соответствует населенности состояния каждого из кубитов.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что восстановление унитарных матриц операций выполняется посредством решения уравнения Шредингера для восстановленных гамильтонианов.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что режим работы квантового процессора представляет собой значения параметров импульсов при выполнении алгоритма на квантовом процессоре.

5. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что параметры импульсов представляют собой по меньшей мере интенсивность и длительность импульсов.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что управляющее устройство представляет собой по меньшей мере компьютер и/или планшет.

7. Система компенсации шумов при выполнении квантовых операций на квантовом процессоре с помощью квантовой томографии операций, содержащая:

- по меньшей мере одно управляющее устройство, функционально связанное с по меньшей мере одним компьютером реального времени и квантовым процессором, содержащее процессор и память, хранящую машиночитаемые инструкции, которые при их выполнении процессором реализуют способ по любому из пп. 1-6;

- квантовый процессор;

- компьютер реального времени.