Дослідники IBM разом з науковцями з кількох університетів продемонстрували, як квантовий комп’ютер може багаторазово вимірювати та скидати свої кубіти без зупинки обчислень. Експеримент, описаний у журналі Nature Physics і проведений на квантовому процесорі IBM Quantum Heron, задіяв до 100 кубітів і майже 5 000 двокубітних операцій у поєднанні з приблизно 5 000 циклами вимірювання та скидання. Про це повідомляє видання Interesting Engineering.
Команда, до якої увійшли вчені з Ратгерського університету, IBM та інших інституцій, також виявила різкий перехід між хаотичною та контрольованою поведінкою квантової системи. Це вважають ключовою технікою для створення більш надійних, самокоригувальних квантових машин.
Як вимірювання й скидання допомагають приборкати хаос
Квантові комп’ютери обробляють інформацію за допомогою кубітів, які можуть перебувати в суперпозиції станів. Це дає їм можливості, недоступні класичним бітам, але робить систему вкрай чутливою до завад. Взаємодія з довкіллям і недосконалості апаратури поступово руйнують крихкі квантові стани, накопичуючи помилки й зрештою спотворюючи результат обчислень.
Щоб подолати це, потрібні схеми, що здатні виявляти й виправляти помилки під час роботи процесора. Такий підхід відомий як квантова корекція помилок і є основою так званих відмовостійких (fault-tolerant) квантових комп’ютерів.
У новому експерименті використовували процесор IBM Quantum Heron на 156 кубітів, з якого дослідники виокремили з’єднаний ланцюжок до 100 кубітів. На цьому ланцюжку вони чергували дві конкуруючі процедури:
- процес «перемішування», що розповсюджував інформацію між сусідніми кубітами та посилював безлад у системі;
- багаторазові вимірювання окремих кубітів із їхнім подальшим скиданням у заданий стан, що мало відновлювати порядок.
Загалом у досліді виконали майже 5 000 двокубітних операцій разом із приблизно 5 000 циклами вимірювання та скидання. Це дало змогу відстежити, як часті «втручання» впливають на схильність системи до хаотичної поведінки.
Різкий перехід від хаосу до порядку
Дослідники змінювали відносну частоту двох процесів — перемішування та вимірювання/скидання — щоб з’ясувати, який із них домінує. Коли перемішування відбувалося частіше, система залишалася хаотичною. Якщо ж домінували вимірювання та скидання, кубітний ланцюжок переходив у впорядкований, контрольований стан.
Найяскравіші зміни з’являлися поблизу приблизно 50/50 балансу між обома процесами. Невелика зміна їхньої відносної частоти могла спричинити різкий злам у поведінці всієї системи. Фізики описують таке явище як фазовий перехід — колективну зміну стану, подібну до того, як вода раптово переходить у лід.
Співавтор дослідження, доцент фізики Луїзіанського державного університету Джастін Вілсон (Justin Wilson), пояснив, що випадкові «втручання» у вигляді вимірювань здатні пригнічувати інакше непередбачувану, хаотичну динаміку. Важливо, що перехід зберігався саме в квантовій системі, хоча раніше було неясно, чи витримає він вплив квантових ефектів.
Результати узгодилися з теоретичними прогнозами. Ба більше, перехід ставав чіткішим у більших системах, що свідчить: ефект не обмежується малими експериментальними схемами, а має більш загальний характер.
Крок до відмовостійких квантових процесорів
У майбутніх квантових комп’ютерах потрібен режим роботи з безперервним зворотним зв’язком: помилки мають виявлятися й коригуватися багато разів поспіль, без руйнування корисної інформації. Одноразового «виправлення» буде недостатньо для тривалих обчислень.
Дослідниця IBM Майка Такіта (Maika Takita) зазначила, що експеримент продемонстрував узгоджену роботу квантових операцій, вимірювань і скидань тисячі разів у великій системі з десятків і сотні кубітів. На її думку, це важливий крок до практичних схем корекції помилок.
Команда також дослідила системи, які вже не піддавалися точному моделюванню на класичних комп’ютерах. Порівняння з теорією й експериментальними даними у цьому «надкласичному» діапазоні підвищило впевненість у правильності запропонованого пояснення.
До роботи долучилися дослідники з Сіті-коледжу Нью-Йорка, Державного університету Айови, Університету штату Пенсильванія та інших установ. Хоча цей показ демонстраційний і ще не означає створення повністю відмовостійкого квантового комп’ютера, він доводить, що сучасне обладнання вже здатне багаторазово «втручатися» в квантову систему під час обчислень. Це наближає масштабовані квантові обчислення до однієї з головних інженерних цілей галузі.