|
Секрет квантовых вычислений заключается в негативности
|
|
|
|
Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для применения в самых разных областях, от разработки лекарств до кибербезопасности. Однако выяснить, что именно обеспечит квантовым компьютерам преимущество перед обычными «классическими» компьютерами, — задача непростая. Новое теоретическое исследование, проведенное исследователями из Кавендишской лаборатории, показывает, что сделать квантовые компьютеры более мощными сложнее, чем предполагалось ранее, и в то же время дает наиболее ясное представление о том, что на самом деле заставляет их работать.
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, помогает определить точные квантовые состояния, которые действительно полезны для квантовых вычислений. Оно также расширяет набор квантовых вычислений, которые, как известно, легко выполняются классическими компьютерами, а это значит, что квантовым устройствам предстоит преодолеть более высокую планку, чтобы продемонстрировать преимущество.
|
|
|
|
В основе квантовых вычислений лежит своего рода «магия». Квантовые компьютеры обычно работают с квантовыми битами, или кубитами: частицами, такими как электроны или атомы, которые могут существовать в двух состояниях одновременно. Для выполнения алгоритмов, превосходящих любой классический компьютер, эти кубиты должны быть подготовлены в специальных начальных конфигурациях, известных как «магические состояния». Эти состояния выступают в качестве вычислительного топлива: без них квантовый компьютер ничем не лучше обычной машины.
|
|
|
|
|
|
|
Но новое исследование расширяет понимание учёными того, что не все «магические» состояния одинаковы. Многие состояния, которые кажутся «магическими» и ранее считались полезными, на самом деле не дают никакого квантового преимущества.
|
|
|
|
Выявив этот класс бесполезных «магических» состояний, команда пересматривает границу между вычислениями, требующими квантового компьютера, и теми, которые всё ещё могут быть выполнены классическим способом.
|
|
|
|
«Мы показываем, что магия необходима, но недостаточна для раскрытия всей мощи квантовых компьютеров», — сказал доктор Дэвид Арвидссон-Шукур из лаборатории Hitachi в Кавендишской лаборатории. «Если квантовое состояние не магическое, вы не можете получить квантовое преимущество. Но наличие одной лишь магии не гарантирует её наличия. Картина гораздо сложнее и интереснее».
|
|
|
|
Методика Дирака уточняет тест
|
|
|
|
Чтобы определить, какие квантовые состояния обладают тем, что команда классифицирует как «полезную» магию, а какие — «бесполезной», исследователи обратились к математической модели, разработанной в Кембридже в 1945 году Полем Дираком, физиком, стоящим за релятивистским квантовым уравнением, предсказавшим существование антиматерии. Работая в колледже Святого Иоанна, Дирак независимо установил распределение, аналогичное тому, которое было предложено десятилетием ранее Джоном Кирквудом из Массачусетского технологического института, и расширил эту идею, создав математическую модель для его использования. Это распределение стало известно как распределение Кирквуда-Дирака.
|
|
|
|
Модель включает в себя концепцию, которая звучит парадоксально: отрицательные вероятности, которые команда использовала для формулирования задачи квантовых вычислений. И точно так же, как Дирак когда-то утверждал, что отрицательное решение уравнения следует воспринимать серьезно (теория, которая в конечном итоге привела к открытию антиматерии), команда показывает, что появление отрицательных значений в распределении Кирквуда-Дирака является значимым сигналом.
|
|
|
|
Когда это распределение остается полностью положительным (или нулевым) на протяжении всего вычисления для заданного входного квантового состояния, классический компьютер может с легкостью моделировать квантовые вычисления. Когда оно принимает отрицательные значения, классическое моделирование становится экспоненциально сложнее, и может существовать подлинное квантовое преимущество.
|
|
|
|
«По сути, мы добавляем новый ингредиент в волшебную смесь: отрицательность Кирквуда-Дирака», — сказал Дж. Дж. Тио, ведущий автор исследования и аспирант в группе профессора Криспина Барнса в Кавендишской лаборатории и колледже Сент-Джонс, где работал Дирак. «Идея основана на вероятностях — например, на вероятности выпадения орла при подбрасывании монеты, — но с изюминкой: они могут быть отрицательными. И эти отрицательные «вероятности» необходимы для того, чтобы квантовый компьютер превзошел свой классический аналог».
|
|
|
|
«Это распределение обеспечивает более строгую и точную основу для определения того, какие квантовые состояния могут быть эффективно смоделированы классическими компьютерами».
|
|
|
|
Чтобы продемонстрировать свою теорию, Тио вместе со своим коллегой Риши Гоэлем разработал программу классического моделирования, работающую на стандартном ноутбуке и выполняющую вычисления, которые ранее считались необходимыми для квантовых компьютеров. Результатом стало прямое доказательство того, что классический рубеж гораздо шире, чем предполагалось ранее.
|
|
|
|
Эти результаты важны, поскольку правительства и частные компании по всему миру инвестируют миллиарды фунтов стерлингов в квантовые вычисления. Тем не менее, до сих пор существует реальная научная неопределенность относительно того, когда квантовые компьютеры превзойдут классические машины в задачах, имеющих практическое значение.
|
|
|
|
Расширяя границы возможностей классических компьютеров, команда из Кембриджа помогает установить более четкий и строгий порог для определения истинного квантового преимущества. «Без такой фундаментальной работы мы никогда не узнаем, достигло ли квантовое устройство чего-то действительно выходящего за рамки возможностей классических компьютеров», — сказал Арвидссон-Шукур.
|
|
|
|
Команда надеется, что результаты помогут как в разработке квантового программного обеспечения, так и в создании «магических состояний», что остается одной из главных инженерных задач при создании крупномасштабных квантовых компьютеров.
|
|
|
|
«Чем лучше мы сможем идентифицировать эти полезные магические состояния, тем лучше мы сможем их создавать и применять», — сказала доктор Николь Юнгер Хальперн, научный сотрудник Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук (Мэриленд, США). «Некоторые из нас годами предполагали, что отрицательность Кирквуда-Дирака может помочь в достижении этой цели, и я рада, что группа наконец-то дала утвердительный ответ».
|
|
|
|
Эта новая работа приближает нас на шаг к полному пониманию того, что дает квантовым компьютерам их потенциал, — вопрос, который, несмотря на десятилетия исследований, остается открытым.
|
|
|
|
Источник
|
