Квантовые эффекты находят применение во многих областях науки, однако работа с ними представляет собой сложную задачу, поскольку принципы неопределенности, характерные для квантового мира, значительно отличаются от концепций, принятых в классической физике. Для проверки того, что ученые взаимодействуют с требуемыми квантовыми состояниями, им необходимо приложить значительные усилия.
Устройства, использующие квантовые эффекты, способны превосходить классические аналоги в обработке и хранении информации. В настоящее время область их применения ограничена, однако ученые видят в квантовых вычислениях огромный потенциал. Научные и коммерческие организации во всем мире непрерывно работают над тем, чтобы сделать эти вычислительные технологии широкодоступными.
Одной из проблем, возникающих при работе с подобными сложными устройствами, является сложность их мониторинга. Квантовые состояния нуждаются не только в специфической среде, низких температурах и необычных материалах, но и часто представляют собой некий «черный ящик». Не всегда удается с уверенностью определить, что происходит внутри кубита или квантово-запутанных частиц.
Для проверки того, что ученые взаимодействуют с корректным квантовым состоянием или измерением, используется метод, получивший название самотестирование. Этот подход позволяет исследователям удостовериться в характеристиках квантовой системы, основываясь исключительно на результатах, предоставляемых прибором, без необходимости изучения его внутреннего устройства.
Новая универсальная схема разработана международной командой исследователей. Она пригодна для самотестирования любого квантового состояния или измерения. В рамках предложенного протокола устройство размещается в простой звездообразной конфигурации. Центральный узел, служащий каналом для всех коммуникаций, соединен с несколькими внешними узлами, образующими лучи. Получив сигналы со всех выходов звезды, ученые способны проанализировать корреляции между ними и установить, соответствуют ли они теоретическим прогнозам, и, таким образом, были ли квантовые состояния сохранены в системе. Протокол опубликован в статье в журнале Nature Physics.
Одной из задач, стоящих перед специалистами в области квантовой инженерии, является проверка корректности работы устройства. Для этого прибору задают вопросы, ответы на которые позволяют исследователям установить, действительно ли в процессе вычислений использовались квантовые явления, система функционирует стабильно и соответствует заданным параметрам. В идеале такая оценка должна быть объективной: для проверки необходима отдельная квантовая система, исключающая самооценку устройства.
Благодаря звездообразной структуре это стало возможным. Центральный элемент способен обрабатывать сигналы, поступающие со всех подключений, в то время как внешние системы взаимодействуют исключительно со своими собственными линиями связи. Для подтверждения ученые используют семейство неравенств Белла, с помощью которых они сначала проверяют внешние узлы и их линии связи с центральным. Затем исследователи оценили результаты взаимодействий через центральный узел и на основе этого смогли сделать выводы о квантовых состояниях в схеме.
«В ходе нашей работы мы продемонстрировали, что для каждого квантового состояния и измерения существует свойственный только им набор корреляций, позволяющий выявить их независимо от используемых приборов, то есть без необходимости доверять этим приборам. С практической точки зрения, мы разработали метод проверки любого устройства, формирующего квантовые состояния, а также любого измерительного устройства. Одновременно мы решили проблему, которая оставалась открытой: возможно ли верифицировать смешанное состояние независимо от устройств — в стандартном сценарии Белла это не представляется возможным», — сообщил профессор Ремигиуш Аугусяк ( Remigiusz Augusiak).
Основной плюс представленного протокола заключается в его универсальности. Звездообразная сеть уже была протестирована с использованием небольшого количества внешних систем, и теперь ученые могут развивать концепцию для все более крупных сетей, включающих большее число квантово-запутанных систем.