В последние годы развитие квантовых вычислений привлекает всё больше внимания со стороны научного сообщества и индустрии. Одним из ключевых направлений является создание эффективных методов симуляции и вычисления свойств молекул и материалов с помощью квантовых алгоритмов. Среди таких алгоритмов особое место занимает вариационный квантовый эйгенсолвер (VQE), который позволяет находить фундаментальные состояния сложных квантовых систем. В этом контексте проект Qlass представляет собой важный шаг, направленный на применение VQE в области фотонных квантовых вычислений с использованием стеклянных и других фотонных устройств. Qlass – это программный пакет с открытым исходным кодом, разработанный Unitary Foundation и его партнёрами по проекту Quantum Glass-based Photonic Integrated Circuits (QLASS), финансируемому Европейским союзом.
Он предназначен для компиляции и оптимизации квантовых алгоритмов, особенно VQE, под фотонные квантовые процессоры, что открывает новые возможности в области фотонных вычислительных платформ. Особенность Qlass заключается в том, что он изначально ориентирован на фотонные квантовые устройства, которые отличаются от традиционных сверхпроводниковых или ионных квантовых процессоров. В основе этих устройств лежат фотонные интегральные схемы из стекла и других материалов, позволяющие реализовать квантовые операции с помощью настройки траекторий и взаимодействий одиночных или запутанных фотонов. В отличие от классических квантовых чипов с кубитами, фотонные процессоры оперируют состояниями света, что даёт ряд преимуществ, включая низкое энергопотребление, высокую скорость передачи информации и удобство масштабирования. Программный пакет Qlass интегрируется с ведущими open-source Python-библиотеками, такими как SciPy для численной оптимизации, PySCF и OpenFermion для квантовой химии, Qiskit для абстрактного описания квантовых схем и Perceval для компиляции фотонных схем.
Такая архитектура позволяет пользователям легко создавать и оптимизировать вариационные квантовые алгоритмы непосредственно под их фотонное оборудование. Например, инженеры и исследователи могут на высоком уровне описать квантовые цепочки, используя Qiskit, а Qlass обеспечит их трансляцию и компиляцию в протоколы для конкретных фотонных процессоров на основе Perceval. Одним из ключевых компонентов Qlass является реализация вариационного квантового эйгенсолвера (VQE) на фотонных устройствах. VQE является гибридным алгоритмом, который сочетает классическую оптимизацию с квантовыми измерениями для поиска минимального энергетического состояния заданного гамильтониана. В частности, в Qlass доступна реализация VQE с использованием линейной запутанной анзац-функции (linear entangled ansatz), которая эффективно адаптируется под архитектуру фотонных процессоров.
Такой подход позволяет исследовать квантовые химические задачи, например, вычисление энергии оснований молекулы лития-гидрида (LiH), используя реальные или симулированные фотонные квантовые устройства. Пользователь может сгенерировать гамильтониан для выбранной молекулы с помощью встроенных инструментов квантовой химии, после чего определить функцию-исполнитель, отвечающую за запуск фотонной схемы и сбор статистических данных. Затем VQE с помощью классических методов оптимизации будет корректировать параметры квантовой схемы, чтобы минимизировать энергию системы. Такой симбиоз классических вычислений и фотонных квантовых измерений потенциально обеспечивает более эффективное решение сложных задач, чем классические методы. Важно отметить, что Qlass обеспечивает не только высокоуровневый инструментарий для разработки алгоритмов, но и механизмы компиляции квантовых цепочек, что важно для физической реализации на конкретных фотонных платформах.
Возможность трансляции универсальных квантовых схем в специфические наборы операций и устройств Perceval даёт исследователям гибкость и точность в управлении фотонными состояниями, что является критичным для практического применения квантовых протоколов. Помимо вариационного эйгенсолвера, Qlass предоставляет мощные средства для работы с квантовыми химическими гамильтонианами, позволяя генерировать, анализировать и оптимизировать модели различных молекулярных структур. Это делает пакет полезным инструментом для химиков и физиков, которые изучают молекулярное взаимодействие и энергетические профили с высокой точностью, используя квантовые алгоритмы. Таким образом, Qlass занимает важное место на пересечении квантовой химии, фотонных вычислительных технологий и алгоритмов вариационного типа. Он открывает новые горизонты для исследований и практических разработок фотонных квантовых компьютеров, способных решать задачи, традиционно недоступные классическим вычислениям.
Благодаря поддержке Европейского союза и активному сообществу разработчиков пакет продолжает развиваться и совершенствоваться, способствуя росту интереса к фотонным квантовым технологиям и их внедрению в реальную промышленность. Перспективы развития Qlass связаны с расширением поддержки новых типов фотонных устройств, улучшением алгоритмической базы и интеграцией с другими квантовыми платформами. Совместное использование фотонных квантовых процессоров и VQE-алгоритмов может привести к существенному прорыву в вычислении параметров сложных молекул, материалов с заданными свойствами, а также в оптимизации физических систем. Более того, доступность программного обеспечения с открытым исходным кодом стимулирует воспитание и обучение нового поколения специалистов в области фотонных квантовых вычислений. Для тех, кто только начинает знакомство с фотонными квантовыми алгоритмами, в Qlass есть обучающие материалы и демонстрационные ноутбуки, которые помогут быстро понять принципы работы и получить практические навыки.
Это облегчает интеграцию пакета в исследовательские и образовательные проекты, расширяя аудиторию интересующихся фотонными квантовыми вычислениями. В итоге, Qlass представляет собой мощный и гибкий инструмент, специально разработанный для реализации вариационного квантового эйгенсолвера и других квантовых алгоритмов на фотонных квантовых устройствах. Его уникальная архитектура и интеграция с современными библиотеками делают его идеальным выбором для ученых и инженеров, стремящихся применить фотонные технологии в области квантовых вычислений и химии. Мир квантовых вычислений неизбежно движется к диверсификации технологий, и фотонные платформы с программными решениями, подобными Qlass, играют ключевую роль в этом процессе, открывая путь к новым открытиям и инновациям.
