Ученые из Google предложили новый способ создания квантовых схем, адаптированный под сверхпроводниковые кубиты. Он позволяет решить проблему длительных измерений во время процесса вычислений, приготовления состояния или любого протокола передачи информации. Работа опубликована в Nature.
Любое измерение в квантовой теории изменяет состояние, или, как говорят физики, заставляет волновую функцию коллапсировать. Несмотря на очевидные проблемы и сложности, к которым приводит такое действие измерения на квантовое состояние, ученые научились этим пользоваться. Например, при создании квантовой запутанности или в схемах с квантовой телепортацией.
Важно заметить, что измерения в теории и измерения в эксперименте отличаются по своей природе. Дело в том, что существующие квантовые схемы еще не избавились от шумов, поэтому измерять их можно только статистически — проводить много измерений, собирать их статистику и основываясь на ней делать какие-то выводы.
Ученые из Google Quantum AI предложили новый подход к схемам измерения на своих сверхпроводниковых вычислителях. Они предложили поменять местами пространственные и временные координаты квантовой схемы, для того, чтобы проводить измерения только в конце одного прохода схемы. Такой подход позволил им приготавливать многокубитные запутанные состояния и реализовать протокол телепортации на схеме в 70 кубитов.
Любая квантовая схема вне зависимости от ее конечного применения обычно состоит из двух видов операций — унитарные операции (именно их математически корректно использовать для описания того как меняется квантовая система) и проективные измерения. Первые обычно изменяют состояние, преобразовывают его, а вторые как раз помогают зарегистрировать результат. Для коррекции ошибок или других применений бывает удобно делать измерения посреди процесса вычисления. Если для платформ на нейтральных атомах это оказывается удобно и быстро, то в случае сверхпроводников длительность измерений не позволяет реализовать большое число операций за один проход. Поэтому авторы предложили альтернативу измерению внутри квантовой схемы, взяв за основу «двойственность пространства и времени».
Если представить себе квантовую схему любого процесса в виде цепочек, расположенных друг под другом, где каждая цепочка — кубит, а ее длина — время, то можно говорить, что она изображена в пространственно-временных координатах, где по вертикали — пространственная координата (кубиты), а по горизонтали — временная. Ученые предлагают «повернуть» координатную плоскость на 90 градусов, и все операции измерения, которые были внутри схемы, вынести по времени на самый последний шаг. Понятно, что в таком случае нужно будет адаптировать те унитарные операции, которые изначально формировали схему.
Чтобы проверить жизнеспособность предложенного метода, физики использовали преобразованную схему для генерации запутанных состояний и ввели меру запутанности — энтропию Реньи. Их схема сформирована из двухкубитных операций fSim, которые в свою очередь состоят из операции переброса SWAP (меняет кубиты местами) и операции, меняющей фазу. Авторы поэкспериментировали с параметрами этих вентилей (то же самое, что операция) и увидели, что их схема позволяет приготавливать разные по характеру запутанности типы состояний. Возможность измерять состояние только на последнем временном этапе схемы накладывает ограничения на ее длину и число измерений: чем длиннее цепочка с преобразованиями (глубина цепи) и чем больше измерений нужно провести, тем больше времени это займет. Фиксируя один параметр — в данном случае число измеряемых на выходе кубитов — можно следить за тем как будет зависеть степень запутанности от другого — глубины цепи. Для 19-кубитой схемы, в которой 12 кубитов измерялось на выходе, а оставшиеся 7 формировали запутанное состояние, физики обнаружили фазовый переход степени запутанности при глубине порядка 4.
Кроме этого, на схеме из 70 кубитов для разного числа измеряемых кубитов ученые протестировали возможность и качество квантовой телепортации. В стандартном протоколе телепортации для восстановления телепортированного состояния применяют корректирующую операцию, которая зависит от результата измерения (чтобы получить такое же состояние, которое задетектировали). В авторском протоколе декодирования тоже есть корректирующие операции, которые ограничены классическим переворотом битов, а точность телепортации описывается величиной, зависящей от энтропии Реньи. Физики говорят, что масштабируемость телепортации для большего числа кубитов остается открытой проблемой.
Подробно о том, как создавался квантовый вычислитель, на котором авторы проводили все эксперименты, и как он работает можно узнать из нашего материала «Квантовая коррекция», а посмотреть, что еще тестировали на нем — тут.