Проблески фазовых изменений квантовых вычислений показывают исследователям переломный момент

Прочитано: 148 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Исследователи из Университета Дьюка и Университета Мэриленда использовали частоту измерений на квантовом компьютере, чтобы получить представление о квантовых явлениях фазовых переходов — нечто похожее на превращение воды в пар.

Измерив количество операций, которые могут быть реализованы в системе квантовых вычислений, не вызывая коллапса ее квантового состояния, исследователи получили представление о том, как другие системы — как естественные, так и вычислительные — достигают переломных моментов между фазами. Результаты также служат руководством для ученых-компьютерщиков, работающих над внедрением квантовой коррекции ошибок , которая в конечном итоге позволит квантовым компьютерам полностью раскрыть свой потенциал.

Результаты появились онлайн 3 июня в журнале Nature Physics.

При нагревании воды до кипения движение молекул развивается по мере изменения температуры, пока не достигнет критической точки , когда она начнет превращаться в пар. Аналогичным образом системой квантовых вычислений можно все больше манипулировать дискретными временными шагами, пока ее квантовое состояние не схлопнется в единое решение.

«Существуют глубокие связи между фазами материи и квантовой теорией , и это то, что в ней так увлекательно», — сказал Кристал Ноэль, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и физики Университета Дьюка. «Система квантовых вычислений ведет себя так же, как квантовые системы, встречающиеся в природе — например, жидкость превращается в пар — даже несмотря на то, что она цифровая».

Сила квантовых компьютеров заключается в способности их кубитов быть некоторой комбинацией 1 и 0 одновременно, с экспоненциальным ростом сложности системы по мере добавления большего количества кубитов. Это позволяет им решать проблему с массовым параллелизмом, например, пытаться собрать все части головоломки вместе, а не по одной за раз. Однако кубиты должны сохранять свою квантовую нерешительность до тех пор, пока решение не будет найдено.

Одна из многих проблем, которые это представляет, заключается в исправлении ошибок. Часть кубитов неизбежно потеряет часть информации, и система должна уметь обнаруживать и исправлять эти ошибки. Но поскольку квантовые системы теряют свою «квантовость» при измерении, следить за ошибками — сложная задача. Даже с дополнительными кубитами, следящими за вещами, чем больше квантовый алгоритм проверяется на наличие ошибок, тем больше вероятность того, что он потерпит неудачу.

«Подобно тому, как молекулы воды на грани превращения в пар, квантовый компьютер может выдержать порог измерений, прежде чем он потеряет свою квантовую информацию», — сказал Ноэль. «И это количество измерений является аналогом того, сколько ошибок компьютер может выдержать и при этом работать правильно».

В новой статье Ноэль и ее коллеги исследуют этот порог перехода и состояние системы с обеих сторон.

Работая в тесном сотрудничестве с Кристофером Монро, президентским заслуженным профессором инженерии и физики Университета Дьюка, Марко Цетиной, доцентом кафедры физики Университета Дьюка, а также Майклом Гуллансом и Алексеем Горшковым из Мэрилендского университета и Национального института стандартов и технологий, группа совместно разработала программное обеспечение для запуска случайных квантовых схем, адаптированных к возможностям их квантовой системы. Эксперимент проводился на одном из квантовых компьютеров с ионной ловушкой Центра Дьюка — одной из самых мощных квантовых вычислительных систем в мире.

«Количество кубитов в системе, точность ее операций и уровень автоматизации системы, объединенные вместе в одно и то же время, уникальны для этой квантовой компьютерной системы», — сказал Ноэль. «Другие системы смогли достичь каждого по отдельности, но никогда не смогли достичь всех трех одновременно в академической системе. Именно это позволило нам провести эти эксперименты».

Усредняя множество случайных цепей, команда смогла увидеть, как частота измерения влияет на кубиты. Как и предсказывалось, возникла критическая точка, в которой система неизбежно потеряла свою когерентность и квантовую информацию , и, глядя на то, как система ведет себя по обе стороны от этого фазового перехода, исследователи смогут построить более эффективные подходы к кодам исправления ошибок в будущее.

Эти данные также дают уникальный взгляд на то, как в природе происходят другие фазовые изменения, которые исследователи никогда не могли увидеть раньше.

«Эта демонстрация — прекрасный пример того, что мы делаем уникально в Квантовом центре Дьюка», — сказал Монро. «В то время как наши квантовые компьютеры состоят из атомов, которые находятся под тщательным контролем с помощью электромагнитных ловушек, лазеров и оптики, мы можем использовать эти системы для чего-то совершенно другого, в данном случае для исследования лежащей в основе квантовой природы фазовых переходов. Тот же самый квантовый компьютер может также может применяться для решения неприятных моделей в самых разных областях, от химических реакций, секвенирования ДНК и астрофизики. Это требует знаний не только в атомной физике, но и в системной инженерии, информатике и любой другой области, определяющей приложение, которое будет запущено».

Проблески фазовых изменений квантовых вычислений показывают исследователям переломный момент



Новости партнеров