Новый эксперимент подтвердил квантовое превосходство в условиях масштабирования

Новая квантовая «игра», разработанная физиками из Университета Колорадо в Боулдере, продемонстрировала многообещающие возможности существующих квантовых компьютеров. Исследователи успешно протестировали свою игру на квантовом компьютере Quantinuum System Model H1, показав, что даже небольшие квантовые устройства способны выполнять задачи, превосходящие классические подходы, при этом сохраняя надежность и масштабируемость.

Группа физиков-теоретиков создала квантовую «игру», в которой роль фишек выполняют ионы, перемещаемые лазерами на микроскопической сетке. Этот эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, был проведен на квантовом компьютере Quantinuum System Model H1. Исследование стало результатом сотрудничества ученых из Университета Колорадо в Боулдере и компании Quantinuum. Соавтор исследования Рахул Нандкишор отметил, что этот эксперимент демонстрирует лишь часть потенциала квантовых компьютеров, которые, по мнению ученых, в будущем смогут решать сложные задачи, такие как разработка новых лекарств и изучение взаимодействия на атомном уровне, со скоростью, недостижимой для современных компьютеров.

Квантовые компьютеры работают на основе кубитов, которые, в отличие от битов классических компьютеров, могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть принимать значения 0 и 1 одновременно. Однако управление кубитами является сложной задачей. В своем исследовании ученые использовали топологическую фазу материи, создавая сеть кубитов в виде «узлов». Такая конфигурация позволила провести математическую игру, минимизируя воздействие на работу квантового компьютера.             Дэвид Стивен, физик из Quantinuum и соавтор исследования, отметил, что эксперимент прошел успешно и в соответствии с теоретическими ожиданиями, что является важным эталоном для данного типа квантовых компьютеров.

Идея квантовых игр не нова и появилась еще до создания первых квантовых компьютеров. Традиционно квантовые игры представляют собой математические задачи, в которых несколько гипотетических игроков, не имея возможности общаться во время игры, должны заполнить сетку нулями и единицами, чтобы выполнить определенную математическую модель. Выигрыш в таких играх без возможности коммуникации кажется невозможным с точки зрения классической физики.

Однако квантовая физика предлагает решение этой проблемы через явление квантовой запутанности. Дэвид Мермин предложил, что если каждому игроку дать по одной из запутанных частиц, измерение состояния одной частицы мгновенно повлияет на состояние другой даже на расстоянии. Используя эти корреляции, игроки в квантовой игре могут координировать свои действия, демонстрируя явление, названное квантовой «псевдотелепатией».

На практике создание и поддержание запутанных состояний в квантовом компьютере является сложной задачей. Даже незначительные внешние воздействия могут разрушить хрупкие квантовые связи. Нандкишор и его коллеги разработали новый подход к квантовым играм, который оказался более устойчивым к внешним воздействиям.

В своем эксперименте ученые использовали 20 кубитов (ионов иттербия), управляемых лазерами в квантовом компьютере Quantinuum System Model H1. Ионы были расположены в двумерной решетке, образуя топологический порядок – сложную модель запутанности, в которой все кубиты были взаимосвязаны. Такая запутанность оказалась устойчивой к локальным возмущениям.

Исследователи, выступая в роли игроков, проводили измерения различных кубитов и показали, что им удавалось достичь квантовой псевдотелепатии и выигрывать игру в 95% случаев и более. Успех сохранялся даже при добавлении внешних помех и дополнительных гипотетических игроков.

Нандкишор подчеркнул, что разработанная ими игра сама по себе не предназначена для решения практических задач. Однако она демонстрирует, что современные квантовые компьютеры уже способны к масштабированию и сохранению квантового преимущества, по крайней мере в определенных сценариях. Это исследование является важным шагом в подтверждении потенциала квантовых технологий для решения задач, недоступных классическим компьютерам.

Источник:  Physical Review Letters

#КвантовыеКомпьютеры #Кубиты #КвантоваяЗапутанность #КвантовыеИгры #НаучныеИсследования