Российские физики научились передавать квантовое состояние с максимальной скоростью
Современные квантовые процессоры включают десятки и сотни кубитов, и их количество неуклонно растет. Так, в ближайшее время специалисты Google собираются представить устройство с тысячей кубитов, а компания IBM уже презентовала систему Condor с впечатляющими 1121 кубитом. Тем не менее простое увеличение количества элементов не решает всех проблем, говорится на официальном сайте Десятилетия науки и технологий в России.
Важно научиться эффективно контролировать процессы в устройстве, обеспечивая быстрое перемещение квантового возбуждения (например, фотона или спиновой конфигурации) от одной части системы к другой. Если же передача будет происходить медленно, информация рискует исчезнуть раньше, чем достигнет пункта назначения. Следовательно, для крупных квантовых систем решающее значение приобретают такие характеристики, как высокая скорость и надежность передачи сигналов.
Для передачи возбуждения в цепочке кубитов ученые чаще всего используют два подхода. Первый заключается в пошаговом включении взаимодействия между ближайшими кубитами: сначала запускается связь между парой соседей, передается состояние, затем включается следующая пара. Метод достаточно простой, но весьма медленный.
Во втором подходе устанавливают постоянные связи заданной силы, благодаря которым состояние автоматически перемещается по всей цепочке. Такой способ быстрее предыдущего, но тоже занимает значительное время, особенно при большом количестве кубитов. Очевидна необходимость улучшения существующих подходов, и именно такую перспективную альтернативу недавно представили ученые из Университета ИТМО вместе с сотрудниками Лондонского института математических наук. Их предложение обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи.
Ученые использовали метод, известный как «квантовая брахистохрона». Его принцип аналогичен известной задаче классической физики о поиске самого быстрого маршрута движения шарика между двумя точками. «Представьте, что у вас есть множество возможных траекторий между точками A и B. Мы перебираем их все, пока не обнаружим ту, по которой квантовое состояние дойдет до цели быстрее всего», — комментирует Ксения Чернова, автор статьи и магистрантка Университета ИТМО.
Специалисты предлагают иной подход к управлению передачей состояний в цепочках кубитов: вместо обычного включения и выключения связей предлагается плавно варьировать их интенсивность во времени. Сначала создается максимальное взаимодействие между первыми двумя кубитами, которое затем постепенно затухает, позволяя нарастать другим связям. Такая стратегия формирования волнового пакета позволяет передавать сигнал с максимальной теоретически достижимой скоростью, ограниченной только физическими законами квантовой теории. За счет этого достигается точное перемещение квантового состояния от первого кубита к последнему элементу цепочки.
«Предложенный нами алгоритм переноса квантового состояния построен на точном управлении параметрами системы. Следовательно, при появлении шума точность транспорта снижается. Однако аналогичные способы переноса, являясь более медленными, тоже демонстрируют потери в эффективности переноса», — отмечает Андрей Степаненко, научный сотрудник Лондонского института математических наук и первый автор работы.
Помимо этого, физики разработали универсальный метод расчета минимально возможного времени передачи состояния в системах с произвольным количеством кубитов. Авторы исследования провели расчеты для цепи из ста кубитов, тогда как ранее решение подобных задач было ограничено небольшими системами, содержащими лишь несколько кубитов.
Тем временем международная команда ученых подтвердила существование неуловимой квантовой спиновой жидкости.
