Свойство, характеризующее способность классического компьютера воспроизвести конкретное квантовое состояние, известно как «магия». Исследователи из США установили, существует ли четкая граница между ситуациями, когда для решения задачи достаточно обычного компьютера, и случаями, требующими использования квантового».
Стабилизаторные состояния представляют собой группу квантовых состояний, которые можно эффективно моделировать с использованием классических компьютеров. «Магия» в квантовой механике – это свойство, определяющее, насколько сильно квантовое состояние отличается от стабилизаторного.
Квантовые состояния сложно моделировать из-за эффектов, которые можно назвать магией, однако они необходимы для создания универсальных и отказоустойчивых квантовых вычислений. Для развития этой области крайне важно понять механизмы, лежащие в основе этих свойств улучшит характеристики квантовых компьютеров.
В предыдущей работе авторы исследования продемонстрировали наличие фазового перехода в запутанности системы. Они установили, что состояние фазы квантовой системы, в зависимости от частоты проводимых измерений, способно либо поддерживать, либо приводить к разрушению запутанности.
«Оказывается, суперпозиции и запутанности сами по себе не позволяют квантовым компьютерам превзойти классические. Для достижения такого преимущества требуется дополнительный фактор — так называемая «магия», подразумевающая отклонение от стабилизаторного состояния. Без этого компонента квантовая система может быть смоделирована на классическом компьютере, что делает квантовый компьютер излишним. Только наличие значительного количества «магии» позволяет преодолеть возможности классических вычислений», — пояснил Прадип Нироула ( Pradeep Niroula), первый автор новой научной работы.
Квантовый вентиль, аналогичный логическому вентилю в классических компьютерах, влияет на кубиты и направлен на создание квантовой запутанности между ними. Однако, измерение состояния любого из этих кубитов приводит к разрушению этой запутанности. Если добавить в квантовую схему несколько вентилей, можно проводить измерения в случайных местах и контролировать распределение запутанности в системе.
При небольшом количестве измерений квантовая система полностью запутывается. Однако, слишком частые измерения приводят к подавлению запутанности. Постепенное увеличение частоты измерений вызывает резкий фазовый переход запутанности, приводящий к ее уменьшению почти до нуля.
В ходе текущих исследований ученые попытались выяснить, наблюдается ли фазовый переход в магии. Им удалось продемонстрировать, что код, используемый для защиты квантовой информации от ошибок, с точки зрения магических свойств проявляет четкий фазовый переход: он переходит из состояния, в котором магия присутствует, в состояние, где магии нет, без промежуточных стадий. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Измерения также подавляют магию, однако для ее управляемого введения в систему требуется внесение незначительных изменений в состояние кубитов. Такие модификации квантового состояния кубита принято называть поворотом, поскольку они теоретически описывается в трехмерной системе координат.
Для управления магией физики применили схему, основанную на случайном стабилизаторном коде, используя когерентные ошибки. Эти ошибки обладают предсказуемостью, стабильностью и возникают как результат эволюции квантовых состояний.
В ходе измерений в некоторых ситуациях магию подавляли, возвращая системы к стабильному состоянию, а в других оставляли её без изменений. В квантовых компьютерах ключевыми конкурирующими факторами стали «количество измерений» и «угол поворота кубитов».
При неизменной скорости проведения измерений, как выяснилось, возможно изменение угла вращения, что позволит перейти из фазы с высокой концентрацией магии в фазу, где она отсутствует. Для подтверждения этой гипотезы авторы исследования провели серию численных симуляций и показали, было установлено, что фазовый переход магии действительно наблюдается, и эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение благодаря использованию настоящих квантовых схем. Результаты экспериментов совпали с предсказанными результатами симуляций.
«Мы зафиксировали признак фазового перехода даже при наличии шума в системе. Наша работа демонстрирует существование фазового перехода в магии. Предыдущие исследования уже выявили другие переходы в запутанности и зарядах, что порождает вопрос: способны ли и другие ресурсы проявлять подобные переходы? Подчиняются ли они некоему универсальному типу переходов? Возможно ли использовать эти знания для разработки квантовых компьютеров, устойчивых к помехам?» — отметил Неурула.
Обнаружение перехода может свидетельствовать о наличии более универсальной теории, способной объяснить различные квантовые характеристики.