Исследователи научились проверять точность квантовых симуляторов
Американские физики разработали метод, который позволяет проверять точность квантовых симуляторов. Он основан на предсказании случайных квантовых флуктуаций. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Для изучения и понимания квантовых эффектов исследователи используют аналоговые квантовые симуляторы. Это лабораторные эксперименты, в ходе которых ученые охлаждают сотни атомов и воздействуют на них высокоточными лазерами и магнитами. Результаты, полученные с помощью квантовых симуляторов, в будущем помогут в разработке экзотических материалов, эффективной электроники и квантовых компьютеров. Однако для этого ученым нужно понимать, насколько результатам, полученных с помощью квантовых симуляторов, можно доверять, то есть нужен какой-то метод, позволяющий оценить их точность. В 2019 году исследователи Google разработали квантовый компьютер Sycamore, состоящий из 35 кубитов — аналога битов в обычных компьютерах. Если биты могут принимать в качестве значений либо «0», либо «1», то кубиты способны существовать в состоянии суперпозиции, то есть сразу в нескольких состояниях. Sycamore мог быстро проводить вычисления, которые были слишком трудны даже для самого эффективного суперкомпьютера в мире. В своей работе эксперты из Google также оценили точность своего квантового компьютера. Для этого они случайным образом изменяли состояние отдельных кубитов и сравнивали их итоговые состояния с теоретическими предсказаниями.
Теперь американские ученые разработали метод оценки точности квантовых симуляторов, опираясь на эту работу исследователей из Google. Однако они столкнулись с трудностью: в отличие от кубитов, из которых состоят квантовые компьютеры, отдельными атомами в квантовых симуляторах очень трудно управлять. Тогда исследователи занялись теоретическим моделированием и сделали вывод, что им следует наблюдать за естественными случайными квантовыми флуктуациями. Они происходят при спонтанном образовании и гибели частиц. Для простоты следует представить систему из 5 кубитов, каждый из которых может одновременно принимать значения «0» и «1». При этом, когда производится измерение, кубит принимает либо одно, либо второе значение. Соответственно, при любом измерении кубиты могут находиться в одной из 32 комбинаций: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 и т. д. Вероятность появления из этих комбинаций подчиняется определенному закону распределения, который можно вычислить с помощью статистической физики. Далее ученые попытались разработать цифровую симуляцию, которая отражает динамику случайных флуктуаций в квантовом симуляторе. Согласно их гипотезе, при сравнении теоретических расчетов с экспериментальными данными можно оценить точность квантового симулятора.
Ученые проверили эту идею экспериментально. Для этого они использовали аналоговый квантовый симулятор, состоящий из 25 атомов. Затем исследователи возбудили атомы с помощью лазера, и те начали естественным образом взаимодействовать друг с другом. Ученые провели 10 тысяч измерений состояний квантовых частиц. Затем они разработали цифровую модель для эксперимента и вывели уравнение, позволяющее предсказать квантовые флуктуации. После этого они смогли сравнить экспериментальные и теоретические данные, которые достаточно близко сходились.
Результаты этого исследования помогут в разработке более сложных и точных квантовых систем. Используя предложенный метод, ученые смогут понимать, насколько они могут доверять своей квантовой системе и насколько она точна.