Физики подтвердили квантовое поведение в компьютерах с 73 кубитами

Автор: Чжэцзянский университет

Можно ли доказать, что крупная квантовая система действительно ведёт себя согласно странным и удивительным законам квантовой механики — или только имитирует это поведение? В новом исследовании физики из Лейдена, Пекина и Ханчжоу нашли ответ на этот вопрос.

Это можно назвать «квантовым детектором лжи»: тест Белла, разработанный известным физиком Джоном Беллом. Этот тест показывает, использует ли машина, например квантовый компьютер, настоящие квантовые эффекты или просто их имитирует.

По мере развития квантовых технологий требуются всё более строгие проверки их «квантовости». В новом исследовании учёные вышли на новый уровень, тестируя корреляции Белла в системах с числом кубитов до 73 — базовых строительных блоков квантового компьютера.

В исследовании участвовала международная команда: теоретики Хорди Тура, Патрик Эмонтс, аспирантка Мэнъяо Ху из Лейденского университета вместе с коллегами из Университета Цинхуа (Пекин) и экспериментальные физики из Чжэцзянского университета (Ханчжоу). Работа опубликована в журнале Physical Review X.

(Слева) Фото сверхпроводящего квантового чипа, использованного в эксперименте, (Справа) схема соединения 73 кубитов. Автор: Чжэцзянский университет

Мир квантовой физики

Квантовая механика — это наука, объясняющая поведение мельчайших частиц во Вселенной, таких как атомы и электроны. Это мир, полный странных и неинтуитивных идей.

Одна из них — квантовая нелокальность, когда частицы мгновенно влияют друг на друга, даже находясь далеко друг от друга. Хотя это звучит странно, эффект реальный — за его открытие в 2022 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Данное исследование сосредоточено на доказательстве существования нелокальных корреляций, также известных как корреляции Белла.

Гениальный эксперимент

План был крайне амбициозным, но оптимизированная стратегия команды изменила всё. Вместо попыток напрямую измерить сложные корреляции Белла учёные сосредоточились на том, что квантовые устройства уже умеют делать хорошо: минимизировать энергию.

И это окупилось. Команда создала особое квантовое состояние, используя 73 кубита в сверхпроводящем квантовом процессоре, и измерила энергию, значительно ниже возможной в классической системе. Разница составила 48 стандартных отклонений, что делает случайный результат почти невозможным.

Но команда на этом не остановилась. Они подтвердили более редкий и сложный тип нелокальности — подлинные многокомпонентные корреляции Белла. В этом типе квантовой связи должны участвовать все кубиты системы, что делает её генерацию и проверку крайне сложной. Учёным удалось подготовить серию низкоэнергетических состояний, прошедших тест для систем до 24 кубитов.

Это исследование доказывает, что квантовые компьютеры не просто становятся больше — они также демонстрируют всё более сложное квантовое поведение.

Результаты имеют практическое значение: понимание и контроль корреляций Белла могут улучшить квантовую связь, повысить безопасность криптографии и помочь в разработке новых квантовых алгоритмов.

Дополнительная информация: Ke Wang et al, Probing Many-Body Bell Correlation Depth with Superconducting Qubits, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021024