|
Можно ли доверять квантовому симулятору
|
|
|
|
В масштабе отдельных атомов физика становится странной. Исследователи работают над выявлением, использованием и контролем этих странных квантовых эффектов с помощью аналоговых квантовых симуляторов — лабораторных экспериментов, включающих переохлаждение от десятков до сотен атомов и их исследование с помощью точно настроенных лазеров и магнитов. Ученые надеются, что любое новое понимание, полученное с помощью квантовых симуляторов, предоставит чертежи для разработки новых экзотических материалов, более умной и эффективной электроники и практичных квантовых компьютеров. Но чтобы извлечь пользу из квантовых симуляторов, ученые сначала должны им доверять.
|
|
|
|
То есть они должны быть уверены, что их квантовое устройство имеет «высокую точность» и точно отражает квантовое поведение. Например, если внешний шум легко влияет на систему атомов, исследователи могут предположить наличие квантового эффекта там, где его нет. Но до сих пор не было надежного способа охарактеризовать точность квантово-аналоговых симуляторов.
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, физики из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института сообщают о новом квантовом явлении: они обнаружили, что в квантовых флуктуациях атомов существует определенная случайность и что это случайное поведение демонстрирует универсальную предсказуемую закономерность. Поведение, которое является одновременно случайным и предсказуемым, может показаться противоречием. Но команда подтвердила, что определенные случайные колебания действительно могут следовать предсказуемой статистической закономерности.
|
|
|
|
Более того, исследователи использовали эту квантовую случайность в качестве инструмента для характеристики точности квантового аналогового симулятора. С помощью теории и экспериментов они показали, что могут определить точность квантового симулятора, анализируя его случайные колебания. Команда разработала новый протокол бенчмаркинга, который можно применять к существующим квантово-аналоговым симуляторам, чтобы оценить их точность на основе их модели квантовых флуктуаций. Протокол может помочь ускорить разработку новых экзотических материалов и систем квантовых вычислений.
|
|
|
|
«Эта работа позволит с очень высокой точностью охарактеризовать многие существующие квантовые устройства», — говорит соавтор исследования Сунвон Чой, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Это также предполагает, что за случайностью в хаотических квантовых системах стоят более глубокие теоретические структуры, чем мы думали ранее». Среди авторов исследования аспирант Массачусетского технологического института Дэниел Марк и сотрудники Калифорнийского технологического института, Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн, Гарвардского университета и Калифорнийского университета в Беркли.
|
|
|
|
Случайная эволюция
|
|
|
|
Новое исследование было мотивировано продвижением Google в 2019 году, когда исследователи создали цифровой квантовый компьютер, получивший название «Сикамор», который мог выполнять определенные вычисления быстрее, чем классический компьютер. В то время как вычислительные единицы в классическом компьютере представляют собой «биты», которые существуют как 0 или 1, единицы в квантовом компьютере, известные как «кубиты», могут существовать в суперпозиции нескольких состояний. Когда несколько кубитов взаимодействуют друг с другом, теоретически они могут запускать специальные алгоритмы, которые решают сложные задачи за гораздо более короткое время, чем любые классические компьютеры.
|
|
|
|
Исследователи из Google разработали систему сверхпроводящих петель, которая ведет себя как 53 кубита, и показали, что «компьютер» может выполнять определенные вычисления, которые обычно были бы слишком сложными для решения даже самого быстрого суперкомпьютера в мире. Google также показал, что может количественно оценить точность системы. Случайным образом изменяя состояние отдельных кубитов и сравнивая полученные состояния всех 53 кубитов с тем, что предсказывают принципы квантовой механики, они смогли измерить точность системы.
|
|
|
|
Чой и его коллеги задались вопросом, могут ли они использовать аналогичный рандомизированный подход для оценки точности квантово-аналоговых симуляторов. Но было одно препятствие, которое им нужно было преодолеть: в отличие от цифровой квантовой системы Google, отдельными атомами и другими кубитами в аналоговых симуляторах невероятно трудно манипулировать и, следовательно, произвольно контролировать. Но с помощью некоторого теоретического моделирования Чой понял, что коллективный эффект индивидуального манипулирования кубитами в системе Google можно воспроизвести в аналоговом квантовом симуляторе, просто позволив кубитам развиваться естественным путем.
|
|
|
|
«Мы поняли, что нам не нужно создавать это случайное поведение», — говорит Чой. «Без тонкой настройки мы можем просто позволить естественной динамике квантовых симуляторов развиваться, и результат приведет к аналогичному шаблону случайности из-за хаоса».
|
|
|
|
Укрепление доверия
|
|
|
|
В качестве чрезвычайно упрощенного примера представьте себе систему из пяти кубитов. Каждый кубит может существовать одновременно как 0 или 1, пока не будет произведено измерение, после чего кубиты перейдут в то или иное состояние. При любом измерении кубиты могут принимать одну из 32 различных комбинаций: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 и так далее. «Эти 32 конфигурации произойдут с определенным распределением вероятностей, которое, по мнению людей, должно быть похоже на предсказания статистической физики», — объясняет Чой. «Мы показываем, что в среднем они совпадают, но есть отклонения и колебания, которые демонстрируют универсальную случайность, о которой мы не знали. И эта случайность выглядит так же, как если бы вы запускали те случайные операции, которые делал Google».
|
|
|
|
Исследователи предположили, что если бы им удалось разработать численное моделирование, которое точно отражает динамику и универсальные случайные колебания квантового симулятора, они могли бы сравнить прогнозируемые результаты с фактическими результатами симулятора. Чем они ближе, тем точнее должен быть квантовый симулятор. Чтобы проверить эту идею, Чой объединился с экспериментаторами из Калифорнийского технологического института, которые разработали квантово-аналоговый симулятор, состоящий из 25 атомов. Физики посветили лазером на эксперимент, чтобы коллективно возбудить атомы, а затем позволили кубитам естественным образом взаимодействовать и эволюционировать с течением времени. Они измеряли состояние каждого кубита в течение нескольких прогонов, собрав всего 10 000 измерений.
|
|
|
|
Чой и его коллеги также разработали численную модель для представления квантовой динамики эксперимента и включили уравнение, которое они вывели для предсказания универсальных случайных колебаний, которые должны возникнуть. Затем исследователи сравнили свои экспериментальные измерения с результатами, предсказанными моделью, и обнаружили очень близкое совпадение — убедительное доказательство того, что этому конкретному симулятору можно доверять как отражающему чистое квантово-механическое поведение.
|
|
|
|
В более широком смысле результаты демонстрируют новый способ характеристики почти любого существующего квантово-аналогового симулятора. «Возможность характеризовать квантовые устройства формирует базовый технический инструмент для создания все более крупных, точных и сложных квантовых систем», — говорит Чой. «С помощью нашего инструмента люди могут узнать, работают ли они с надежной системой».
|
|
|
|
Источник
|
