Китайские учёные совершили прорыв в управлении квантовыми системами

Фань Хэн, автор-корреспондент (первый справа), обсуждает детали устройства с членами своей команды 21 января в лаборатории Института физики Китайской академии наук. [Фото/Xinhua]

Китайские учёные сделали значительный шаг к пониманию и контролю поведения сложных квантовых систем, продемонстрировав, что квантовые компьютеры могут отслеживать — и даже регулировать — процессы, которые для классических компьютеров практически невозможно вычислить.

Используя 78-кубитный сверхпроводящий квантовый процессор под названием «Чжуан-цзы 2.0», исследователи из Института физики Китайской академии наук и Пекинского университета наблюдали и контролировали явление, называемое предтермализацией — временной и упорядоченной фазой, которая появляется до того, как квантовая система погружается в полный хаос.

Их результаты были опубликованы в среду в журнале Nature.

Квантовые системы ведут себя совсем не так, как привычные нам объекты. Когда множество квантовых частиц взаимодействуют, их коллективное поведение становится чрезвычайно сложным, а информация быстро распространяется по системе. Со временем это приводит к термализации — процессу, при котором энергия и информация равномерно распределяются, а система теряет память о своём исходном состоянии.

Для квантовых вычислений термализация является серьёзной проблемой. Как только система проходит через этот процесс, хрупкая квантовая информация фактически теряется, делая надёжные вычисления невозможными.

Учёных удивило то, что термализация происходит не всегда плавно или мгновенно.

«В определённых условиях система делает паузу, — сказал Фань Хэн, автор-корреспондент исследования и научный сотрудник Института физики. — Она входит в стабильную промежуточную стадию, где беспорядок задерживается, а информация частично сохраняется».

Эта стадия известна как предтермализация.

Исследователи сравнивают её с нагреванием куска льда. Даже когда тепло подаётся непрерывно, температура некоторое время остаётся на уровне 0°C, пока лёд тает. Энергия направляется на изменение структуры, а не на повышение температуры. Подобным образом «возбуждаемая» квантовая система может поглощать энергию, не становясь полностью хаотичной.

В эксперименте учёные целенаправленно «толкали» квантовый процессор с помощью тщательно разработанных импульсов энергии. Вместо применения простых повторяющихся сигналов они использовали метод, называемый «случайным мультиполярным возбуждением». Этот метод вносит структурированную случайность в схему возбуждения на основе математических последовательностей, которые не являются ни полностью периодическими, ни полностью случайными.

Регулируя шаблон и время этих импульсов, команда смогла контролировать, как долго квантовая система оставалась в состоянии предтермализации, прежде чем быстро погрузиться в хаос.

«Это позволяет нам настраивать ритм термализации, — сказал Фань. — Мы можем замедлить его или ускорить».

Во время предтермальной фазы измерения показали, что квантовая информация оставалась относительно нетронутой, а рост беспорядка подавлялся. Однако, как только фаза заканчивалась, квантовая запутанность — ключевая особенность квантовой механики — усиливалась и быстро распространялась по системе, делая её слишком сложной для точного моделирования на классических компьютерах.

Учёные отметили, что результаты могут повлиять на будущие исследования в области квантового моделирования, квантового управления и смежных тем.

Команда планирует разработать более крупные квантовые чипы с более гибкой архитектурой, стремясь исследовать ещё более сложное квантовое поведение и продемонстрировать то, что они называют «проверяемым, практическим квантовым превосходством» — момент, когда квантовые машины не просто делают что-то быстрее, а решают конкретные, полезные задачи, которые ранее были невозможны.