Вчені прискорили квантові вимірювання за допомогою просторово-часового компромісу

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Letters, вчені запропонували інноваційний підхід до прискорення квантових вимірювань, який може стати важливим кроком вперед для квантових обчислень. Цей метод базується на використанні так званого просторово-часового компромісу, що дозволяє значно скоротити час вимірювань, зберігаючи або навіть покращуючи їхню точність. Такий прогрес може вирішити одну з ключових проблем квантових технологій — повільність і вразливість процесу вимірювання, що перешкоджає масштабуванню та стабільності квантових систем.

Квантові обчислення вже давно привертають увагу науковців завдяки своїй потенційній здатності розв’язувати задачі, недоступні для класичних комп’ютерів. Проте їхній розвиток стримується низкою технічних труднощів, серед яких — високий рівень помилок, нестабільність кубітів і складність масштабування систем до великої кількості кубітів. Однією з менш очевидних, але критично важливих проблем є швидкість і точність квантових вимірювань. Традиційно для досягнення високої точності необхідно проводити вимірювання протягом тривалого часу, що призводить до затримок і накопичення шумів, особливо в процесі корекції помилок у середині обчислень.

Дослідження, проведене групою вчених під керівництвом Крістофера Корлетта, професора Ноа Ліндена та доктора Пола Скшипчика з Бристольського університету, стало результатом співпраці з колегами з Оксфордського університету, Університету Стратклайда та Університету Сорбонни. Воно пропонує використовувати додаткові, або допоміжні, кубіти для прискорення вимірювань без втрати їхньої якості. «Процес вимірювання в квантовій механіці є однією з її найважливіших і найцікавіших особливостей. Він також має вирішальне значення для майбутніх квантових технологій», — пояснює Крістофер Корлетт.

Проблема квантових вимірювань полягає в тому, що існує безліч способів дослідити стан кубіта, наприклад, визначити, чи перебуває він у стані 0 чи 1. Традиційно точне вимірювання потребує тривалого спостереження за кубітом. Однак це уповільнює обчислення і підвищує ризик виникнення шумів та декогеренції — явищ, які руйнують квантові стани. Щоб проілюструвати цю проблему, вчені наводять аналогію: уявіть, що вам показують дві склянки води — одну з 100 мл, а іншу з 90 мл — і просять визначити, яка з них повніша. Якщо ви бачите їх лише одну секунду, зробити це складно, але за дві секунди ваша впевненість зростає. У квантових системах довші вимірювання дають кращу точність, але створюють затримки, які неприпустимі для швидких обчислень.

Новий метод вчених полягає в тому, щоб додати допоміжні кубіти, які підсилюють обсяг інформації, отриманої за фіксований час. У згаданій аналогії це схоже на збільшення об’єму кожної склянки вдвічі: різницю між 200 мл і 180 мл легше помітити, ніж між 100 мл і 90 мл. Додавання ще одного допоміжного кубіта потроює об’єм інформації, скорочуючи час, необхідний для впевненого результату. У підсумку дослідники досягають лінійного прискорення швидкості вимірювання залежно від кількості кубітів.

Суть методу полягає в обміні часу на простір. Замість того, щоб вимірювати один кубіт протягом, наприклад, п’яти секунд, вчені пропонують одночасно вимірювати п’ять кубітів (цільовий і чотири допоміжних) протягом однієї секунди. Цільовий кубіт сплітається з допоміжними за допомогою логічних вентилів CNOT, які копіюють його інформацію на всі допоміжні кубіти. Потім усі кубіти вимірюються одночасно за менший час — t/N, де N — загальна кількість кубітів, а результати підсумовуються. Це забезпечує таку ж статистичну достовірність, як і довше одиночне вимірювання.

Цікаво, що цей підхід не лише прискорює процес, а й дозволяє зберігати або навіть підвищувати якість вимірювань. «Дивовижно, але це дає змогу підтримувати якість вимірювань або навіть покращувати її, одночасно прискорюючи процес. Метод можна широко застосувати до провідних платформ квантового обладнання, таких як холодні атоми, захоплені іони та надпровідникові кубіти», — зазначає Корлетт.

Дослідники також перевірили стійкість своєї схеми до шумів — неминучого явища в реальних квантових системах. Спочатку вони протестували метод в ідеальних умовах без шумів, де він показав ідеально лінійне прискорення зі збільшенням кількості кубітів. Потім були застосовані реалістичні моделі шумів, і навіть у цих умовах метод продемонстрував значне прискорення, а в деяких випадках — навіть більше, ніж лінійне покращення. Ба більше, вчені довели, що їхній підхід може досягати вищої максимальної якості вимірювань, ніж це було можливо раніше. «Переконатися, що наша схема стійка до шумів, надзвичайно важливо, адже це гарантує її корисність для реального впровадження, де шумів уникнути неможливо», — підкреслює професор Лінден.

Наразі команда зосереджена на подальшому розвитку методу та його адаптації до конкретних систем, таких як надпровідникові кубіти, які є одними з найперспективніших для квантових комп’ютерів. Вчені сподіваються незабаром побачити експериментальну реалізацію своєї ідеї, що може відкрити нові можливості для квантових технологій, зокрема в галузі корекції помилок і створення стійких до збоїв систем. Цей прорив демонструє, як творчий підхід до фундаментальних принципів квантової механіки може вирішувати практичні проблеми, наближаючи еру потужних квантових обчислень.