Как сжать 600 лет в одну секунду? Квантовый компьютер наконец-то доказал свое превосходство

Чтобы изучить физическую систему, ученые проводят измерения. Стандартный подход требует огромного количества данных: чем сложнее система, тем больше измерений нужно, чтобы получить достоверный результат. Для многих современных задач в физике необходимое число измерений становится настолько большим, что на их сбор ушли бы сотни или тысячи лет.

Новое исследование показывает, как с помощью квантовой технологии можно решить эту проблему. Физики продемонстрировали метод, который позволяет получить тот же результат не за столетия, а за несколько секунд.

Проблема: информационный барьер

Классический способ изучения неизвестного процесса выглядит так:

1. В систему направляется частица-зонд (например, фотон света).
2. На выходе измеряется, как система повлияла на эту частицу.
3. Этот шаг повторяется огромное количество раз.

Многократные повторения нужны, чтобы отделить полезный сигнал от случайного фонового шума. Однако с ростом сложности изучаемой системы количество необходимых измерений растет лавинообразно. В определенный момент задача становится невыполнимой чисто технически.

Решение: измерение с памятью

Исследователи применили иной подход, основанный на явлении квантовой запутанности.

Суть метода: Вместо одиночных частиц-зондов используются пары запутанных частиц. Запутанность — это особое квантовое состояние, при котором свойства двух частиц оказываются идеально согласованными.

1. Создается пара частиц: одна становится зондом, вторая — памятью.
2. Частица-зонд отправляется в изучаемую систему. Частица-память остается нетронутой.
3. После того как система подействовала на зонд, проводится совместное измерение обеих частиц — измененного зонда и эталонной памяти.

Поскольку частица-память не подвергалась воздействию, она служит идеальной точкой отсчета. Сравнивая с ней состояние зонда, можно с более высокой точностью определить, какое именно воздействие оказала система. Такой подход позволяет извлечь из каждого отдельного измерения гораздо больше информации, чем классический метод.

Результаты: сокращение времени с 600 лет до секунд

Ученые применили этот метод для изучения сложного физического процесса, состоящего из 120 компонентов. Они напрямую рассчитали, насколько их квантовый подход эффективнее стандартного.

• Чтобы восстановить полную картину изучаемого процесса, классическому методу потребовалось бы собрать 10¹⁸ (квинтиллион) образцов данных. Квантовый метод достиг той же точности, собрав 10⁷ (десять миллионов) образцов. Эффективность выше в 100 миллиардов раз.
• В более сложной задаче, где нужно было отличить один тип процесса от другого, расчетное время для сбора данных классическим методом составило бы более 600 лет. Квантовая установка получила необходимый для вывода объем данных за несколько секунд.

Что это даст на практике

Описанное открытие довольно редкое явление, ведь результат не просто теоретическое предположение. Эксперимент был проведен на реальном оборудовании с существующим уровнем шума, что доказывает практическую применимость и надежность метода.

Это будет полезно для таких областей, как поиск гравитационных волн, изучение фундаментальных частиц и разработка высокоточного диагностического оборудования.