Физики создали квантовый детектор лжи для проверки квантовых компьютеров

Ученые наконец доказали, что крупные квантовые системы действительно подчиняются странным законам квантовой механики. Фото: Shutterstock

Можно ли доказать, что крупная квантовая система действительно ведет себя согласно странным и удивительным законам квантовой механики — или она лишь создает такую видимость? В новаторском исследовании физики из Лейдена, Пекина и Ханчжоу нашли ответ на этот вопрос.

Это можно назвать «квантовым детектором лжи» — тест Белла, разработанный знаменитым физиком Джоном Беллом. Этот тест показывает, использует ли машина, такая как квантовый компьютер, действительно квантовые эффекты или просто имитирует их.

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

В исследовании участвовала международная команда: теоретические физики Джорди Тура, Патрик Эмонтс, аспирант Мэнъяо Ху из Лейденского университета вместе с коллегами из Университета Цинхуа (Пекин) и экспериментальные физики из Чжэцзянского университета (Ханчжоу).

Мир квантовой физики Квантовая механика — это наука, объясняющая, как ведут себя мельчайшие частицы во Вселенной — такие как атомы и электроны. Это мир, полный странных и неинтуитивных идей. Одна из них — квантовая нелокальность, когда частицы, кажется, мгновенно влияют друг на друга, даже находясь далеко друг от друга. Хотя это звучит странно, это реальный эффект, за который в 2022 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Данное исследование сосредоточено на доказательстве наличия нелокальной корреляции, также известной как корреляции Белла.

Умный эксперимент

План был чрезвычайно амбициозным, но хорошо оптимизированная стратегия команды сыграла решающую роль. Вместо того чтобы пытаться напрямую измерить сложные корреляции Белла, они сосредоточились на том, с чем квантовые устройства уже хорошо справляются: минимизации энергии.

И это окупилось. Команда создала специальное квантовое состояние с использованием 73 кубитов в сверхпроводящем квантовом процессоре и измерила энергии, значительно ниже тех, которые были бы возможны в классической системе. Разница была поразительной — 48 стандартных отклонений — что делало почти невозможным случайный характер результата.

Но команда на этом не остановилась. Они пошли дальше и подтвердили наличие более редкого и требовательного типа нелокальности — известного как подлинные многокомпонентные корреляции Белла. При таком типе квантовой корреляции все кубиты в системе должны быть задействованы, что делает ее генерацию гораздо более сложной — а проверку еще сложнее. Примечательно, что исследователям удалось подготовить целую серию низкоэнергетических состояний, которые прошли этот тест для систем до 24 кубитов, эффективно подтвердив наличие этих особых корреляций.

Этот результат показывает, что квантовые компьютеры не просто становятся больше — они также становятся лучше в демонстрации и доказательстве подлинно квантового поведения.

Почему это важно

Это исследование доказывает, что возможно подтвердить глубокое квантовое поведение в крупных сложных системах — чего ранее никогда не делалось в таком масштабе. Это большой шаг к тому, чтобы убедиться, что квантовые компьютеры действительно являются квантовыми.

Эти открытия — не просто теория. Понимание и контроль корреляций Белла могут улучшить квантовую связь, сделать криптографию более безопасной и помочь в разработке новых квантовых алгоритмов.

Источники:

Материалы предоставлены Лейденским университетом. Оригинал написан К. Хёйгелен.