Алгоритм оценки скорости квантовых компьютеров позволяет «путешествовать во времени»

Группа учёных разработала алгоритм и методику оценки производительности квантовых компьютеров и квантовых систем на основе эффекта «антибабочки» (anti-butterfly).

Из фантастических произведений мы знаем, что даже незначительные изменения в прошлом кардинально меняют будущее (пресловутый эффект бабочки). Учёные показали, что квантовая система может быть устойчивой к изменениям в прошлом.

«Путешествовать во времени» в квантовых системах можно чисто условно. Речь идёт о работе систем с обратимой во времени динамикой. Иными словами, систему можно откатить до состояния «прошлого», доведя её сначала до состояния «будущего» или наоборот. В классической механике информация (во всём её многообразии) при таких переходах уничтожается. В квантовых системах, как выясняется, информация может сохраняться с некоторыми незначительными изменениями. Проще говоря, раздавив в прошлом случайно бабочку на полянке, главный герой не вернётся в совершенно новое и чужое будущее. Для квантовых систем почти ничего не изменится, сколько «бабочек» в прошлом ни раздави.

Разработали новый метод учёные Лос-Аламосской национальной лаборатории Бин Ян (Bin Yan), Николай Синицын и Джозеф Харрис (Joseph Harris). Метод определяет, сколько информации теряется из квантовой системы из-за декогеренции и сколько сохраняется благодаря скремблированию информации.

«Используя разработанный нами простой и надежный протокол, мы можем определить степень, в которой квантовые компьютеры могут эффективно обрабатывать информацию, и это применимо и к потере информации в других сложных квантовых системах», — сказал Бин Ян, квантовый теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Скремблирование или обратимое преобразование цифрового потока с целью получения свойств случайной последовательности, что нужно, например, для шифрования, также используется для моделирования квантового поведения информации. К примеру, скремблирование широко используется для моделирования поведения чёрных дыр, из-за горизонта событий которых, как считается, ничто не может вернуться, но только не информация с учётом её квантовой основы.

«Наш метод, основанный на открытом нами два года назад квантовом эффекте «антибабочки», эволюционирует систему вперед и назад во времени за один цикл, поэтому мы можем применить его к любой системе с обратимой во времени динамикой, включая квантовые компьютеры и квантовые симуляторы с использованием холодных атомов, — сказал Ян. — Скремблирование информации посредством квантового хаоса распределяет информацию по всей системе, защищая её и позволяя её восстановить».

В обычных условиях через какое-то короткое время происходит декогенерация — по сути, любые шумы окружающей среды разрушают квантовые состояния кубитов и информация теряется. Скремблирование позволяет купировать эти процессы. Более того, предложенный алгоритм даёт количественную оценку о соотношении декогенерации и информации, что позволяет довольно точно оценить производительность квантовой системы и, фактически, ведёт к появлению очень и очень точного бенчмарка для оценки квантовых компьютеров, а это инструмент в совершенствовании данных платформ.

Команда из Лос-Аламоса продемонстрировала протокол с помощью моделирования на облачных квантовых компьютерах IBM. До них исследователи не могли однозначно отличать декогенерацию от скремблирования. Скажем так, природный хаос и хаос искусственный выглядели для учёных одинаково. Новый алгоритм устраняет этот пробел и открывает дорогу в будущее.

С практической точки зрения система работает следующим образом. Создаётся квантовая система с некоторой подсистемой. Алгоритм эволюционирует всю систему вперёд во времени, вызывает изменение в «будущей» подсистеме, а затем эволюционирует систему назад на такое же время. Информацию в будущей и настоящей подсистеме можно точно оценить, а перекрытие данных показывает, сколько информации было сохранено скремблированием и сколько потеряно из-за декогеренции. Работа опубликована в издании Physical Review Letters и доступна только по подписке.