<П>и ldquo;квантовое Эхо» из струился через Google–это квантовый компьютерный чип ивы может привести к достижениям в области молекулярной химии и физики черных дыр
<п class="article_authors-ZdsD4">Дэн Garisto <промежуток class="статья_редакция__ссылки-aMTdN">под редакцией ли Биллингс
<п class="" данные-блок="sciam/пункте">квантовые компьютеры все еще находятся в зачаточном состоянии. В настоящее время они ограничены примерно 100 кубитами, подверженными ошибкам, квантовыми эквивалентами классических битов, и далеко не являются совершенными вычислительными машинами, способными точно моделировать химические реакции и многое другое. Квантовые теоретики и экспериментаторы работают в рамках этих ограничений, чтобы найти выполнимые задачи для своих устройств, которые показали бы преимущество перед производительностью классических компьютеров.
Исследователи из Google потратили годы на разработку одной из таких задач: измерение того, как квантовая информация со временем перемешивается. Квантовая информация, такая как состояние кубита, может стать разрозненной и неупорядоченной, подобно тому, как выкрикиваемое слово становится неразборчивым, когда оно разносится на большие расстояния.
«Разные системы обрабатывают данные по-разному», — говорит Шенлонг Сюй, специалист по теории квантовой информации из Техасского университета A&M, который не принимал участия в исследовании Google. «То, как обрабатывается информация, говорит нам о природе системы». Понимание, полученное в результате скремблирования, может даже предоставить детали, которые позволят квантовым технологам проводить точное молекулярное моделирование с помощью своих машин.
О поддержке научной журналистики
Если вам понравилась эта статья, подумайте о том, чтобы поддержать нашу журналистику, отмеченную наградами, подписавшись на нее. Приобретая подписку, вы помогаете обеспечить будущее впечатляющих историй об открытиях и идеях, формирующих наш современный мир.
В препринте, опубликованном онлайн в июне, команда Google сообщила о самом глубоком на сегодняшний день измерении скремблирования информации, которое было достигнуто с помощью их 105-кубитного чипа Willow. Они многократно скремблировали информацию, вносили небольшие коррективы и обращали процесс вспять, расшифровывая информацию. (Google окрестил этот протокол «Квантовым эхом», что указывает на эхо повторяющегося процесса расшифровки.) Измерения, проведенные командой, были настолько сложными, что при использовании современных алгоритмов классический суперкомпьютер работал бы намного медленнее, чем Willow. Результаты были опубликованы сегодня в журнале Nature.
Трое рецензентов статьи Nature в целом положительно оценили техническое достижение в анонимных отчетах о экспертной оценке, которыми Google поделился с Scientific American. Один из этих рецензентов похвалил работу как «по-настоящему впечатляющую» за «экспериментальный доступ к таким тонким эффектам квантовой интерференции». Однако мнения рецензентов разделились по поводу того, в какой степени Google продемонстрировал подлинное квантовое преимущество.
Плавающий кубит
Хаос характерен для классического мира, потому что классические системы могут быть очень чувствительны к небольшим изменениям в их начальных условиях. В каноническом метафорическом примере бабочка машет крыльями в Бразилии, а каскадная последовательность атмосферных возмущений приводит к торнадо в Техасе.
Итак, что же происходит с пресловутой бабочкой в квантовой системе? «Всегда будут небольшие [квантовые] флуктуации», — говорит Питер Клейс, физик из Института физики сложных систем имени Макса Планка в Дрездене, Германия, который не принимал участия в новом исследовании. Подобно классической бабочке, эти флуктуации также могут оказывать влияние на процесс скремблирования информации в квантовой системе.
Чтобы изучить, как происходит скремблирование квантовой информации, исследователи используют трюк расшифровки, называемый «out-of».- коррелятор временного порядка (OTOC). Протокол OTOC выглядит примерно так: возьмите собранный кубик Рубика и соберите его в определенной последовательности поворотов. Затем добавьте дополнительный поворот и выполните первую последовательность в обратном порядке. Первый и последний процессы — скремблирование и дешифрирование — эффективно сводят на нет результаты, позволяя вам изучить эффекты перекручивания в середине, которое называется «оператором бабочки». (Иногда это ошибочно называют «обращением времени вспять». Время на самом деле этот процесс не меняется в обратном порядке, как и при произнесении алфавита в обратном порядке.)
В 2021 году Google продемонстрировал протокол OTO на своем чипе Sycamore — более подверженном ошибкам устройстве., 53-кубитный предшественник Willow. В ходе пресс-конференции, посвященной новым результатам исследования Willow, Хартмут Невен, глава подразделения квантовых вычислений Google, описал OTOCs как «показатель того, насколько быстро информация распространяется в сильно запутанной системе». В своей работе, проведенной в 2021 году, исследователи Google смогли детально изучить как информация распространялась по сети кубитов Sycamore, выходя за пределы исходного состояния. Несмотря на то, что результат был интригующим, он оказался вполне достижимым для классических суперкомпьютеров.
Чтобы проверить возможности Willow, с его удвоенным числом кубитов и примерно удвоенной точностью передачи кубитов, исследователи Google прогнали его через удвоенный протокол OTOC: scramble, butterfly, расшифровка, scramble, butterfly, расшифровка. По аналогии с кубиком Рубика, эти удвоенные шаги значительно увеличивали сложность измерения. В то же время, поскольку это снижало общую обнаруживаемость бабочки в скремблированной системе, сложность измерений значительно усложняла моделирование на классических компьютерах. По оценкам исследователей Google, классическому суперкомпьютеру потребовалось бы три года, чтобы сделать то, что удалось Willow за два часа. Некоторые рецензенты призвали к осторожности. Как уже отмечалось, многочисленные заявления о квантовых преимуществах, в том числе от Google в 2019 году, опроверглись по мере совершенствования классических алгоритмов.
В конце статьи Nature исследователи из Google намекнули, что появится «захватывающее приложение для реального мира», использующее OTOC для молекулярного моделирования в будущей работе.
Сегодня команда Google начала выполнять это обещание, опубликовав первые шаги своего процесса в другом препринте. Исследователи применили протокол OTOC к Willow, чтобы оценить ключевое свойство системы органических молекул: расстояние между двумя атомами водорода. Хотя метод моделирования все еще находится в стадии становления и не быстрее классических подходов, он, похоже, согласуется с результатами экспериментов.
Практические применения точной квантово-механической химии — не единственные интригующие аспекты последнего результата. Физикам, таким как Сюй, интересно, что удвоенные или утроенные протоколы OTOC могут сказать о шифровании информации.
OTOCs могут даже стать ключом к разгадке тайны, лежащей в основе физики: что происходит с информацией внутри черной дыры? «Люди начали задумываться о скремблировании информации и информационной динамике в контексте физики черных дыр», — говорит Лаура Цуй, аспирантка, изучающая квантовую информацию в Калифорнийском технологическом институте. «Мы находимся на пути к ее решению, используя эти инструменты из теории информации».
