komputer kwantowy / Źródło: IBM

Efekt motyla pomoże porównywać wydajność komputerów kwantowych

Naukowcy wykorzystali kwantowy efekt motyla do opracowania metody porównywania wydajności komputerów kwantowych. Pomogło im to w pokonaniu eksperymentalnego wyzwania w fizyce, które od dawna intrygowało badaczy.

Bin Yan, teoretyk kwantowy z Los Alamos National Laboratory, uważa, że ta metoda otwiera drogę do określania zdolności komputerów kwantowych do przetwarzania informacji. Dodaje, że technika ta ma również zastosowanie do badania utraty informacji w innych złożonych układach kwantowych.

Yan, który jest współautorem badań opublikowanych w Physical Review Letters, powiedział: „nasz protokół kwantyfikuje kodowanie informacji w systemie kwantowym i jednoznacznie odróżnia je od fałszywie pozytywnych sygnałów w zaszumionym tle, spowodowanych dekoherencją kwantową”. To powoduje różnego rodzaju problemy, które trzeba rozwiązywać, zanim na dobre zaczniemy korzystać z komputerów kwantowych. A naukowcy twierdzą, że już niedługo będziemy mieli do czynienia z w pełni rozwiniętymi urządzeniami tego typu. Więcej możesz dowiedzieć się z naszego wpisu „Do 2029 roku ma powstać w pełni funkcjonalny komputer kwantowy”.

Jak w ogóle porównywać wydajność komputerów kwantowych?

W złożonym systemie, takim jak komputer kwantowy, szum, w postaci dekoherencji, ma tendencję do łączenia się z otoczeniem i wymazywania wszystkich informacji kwantowych. Jednak te, które są zakodowane poprzez chaos kwantowy, rozprzestrzeniają się po całym systemie i są chronione. Dzięki temu można je odzyskać. Podczas gdy koherencja to stan kwantowy, który ułatwia obliczenia kwantowe, dekoherencja to utrata tego stanu w postaci informacji, która rozprzestrzenia się w otoczeniu.

Yan wyjaśnił, że „nasza metoda, która czerpie z kwantowego efektu anty-motyla, który odkryliśmy dwa lata temu, ewoluuje system do przodu i do tyłu w czasie pojedynczej pętli. Dzięki temu możemy ją zastosować do każdego systemu z odwracającą czas dynamiką, w tym komputerów kwantowych i symulatorów kwantowych wykorzystujących zimne atomy”. Zespół badaczy zademonstrował swój protokół poprzez symulacje na opartych na chmurze komputerach kwantowych IBM.

Komputer kwantowy IBM na CES 2020 / Źródło: IBM
Komputer kwantowy IBM na CES 2020 / Źródło: IBM

Brak wystarczających metod rozróżnienia dekoherencji od kodowania informacji utrudniał wcześniej badania nad tym zjawiskiem. Takie szyfrowanie informacji zostało po raz pierwszy zbadane w fizyce czarnych dziur. Później okazało się, że odnosi się to do różnych dziedzin, od chaosu kwantowego w układach wielu ciał, po kwantowe uczenie maszynowe. Kodowanie informacji może być badane przy użyciu platform eksperymentalnych, które obejmują nadprzewodniki, komputery kwantowe w chmurze i uwięzione jony.

Wydajność komputerów kwantowych a fizyka klasyczna

Yan i Nikolai Sinitsyn opublikowali w 2020 roku pracę dowodzącą, że ewoluowanie wstecz procesów kwantowych na komputerze kwantowym w celu uszkodzenia informacji w symulowanej przeszłości powoduje niewielkie zmiany po powrocie do teraźniejszości. Jest to sprzeczne z fizyką klasyczną, w której, podczas pętli czasowej „tam i z powrotem”, informacje są nieodwracalnie rozmazane.

Opierając się na tym odkryciu, Yan, Sinitsyn oraz Joseph Harris, absolwent University of Edinburgh, opracowali specjalny protokół. Przygotowuje on system i podsystem kwantowy, ewoluuje pełny system do przodu w czasie, powoduje zmianę w innym podsystemie, a następnie ewoluuje system do tyłu przez ten sam czas. Pomiar nakładania się informacji między dwoma podsystemami pokazuje, ile informacji zostało zachowanych przez szyfrowanie, a ile utraconych na skutek dekoherencji.

Komputery kwantowe to fascynujący temat, którym często zajmujemy się na naszym blogu. Pisaliśmy o nich na przykład w tekście „Badacze IBM udowodnili, że komputer kwantowy ma przewagę nad klasycznym”.

Źródło: Gadgets360, Los Alamos ReporterIBM