Прорыв Google? Квантовый чип Sycamore демонстрирует превосходство в выборке случайных схем (RCS)

Мир квантовой механики полон тайн и парадоксов, которые интригуют и завораживают ученых уже более века. Одним из самых загадочных явлений является квантовая запутанность, когда две или более частицы становятся неразрывно связаны, независимо от расстояния между ними. Но как эта странная особенность микромира может помочь нам создать мощные квантовые компьютеры, способные решать задачи, недоступные даже самым современным суперкомпьютерам?

Ученые из Google в своей новой работе, опубликованной в журнале Nature, исследовали, как шум, неизбежный спутник квантовых систем, влияет на сложность вычислений, проводимых на квантовых процессорах. Они обнаружили, что шум, подобно скульптору, формирует ландшафт квантовых вычислений, создавая области хаоса и порядка, разделенные тонкими границами фазовых переходов.

Случайные квантовые схемы: испытание на прочность

В качестве инструмента для исследования ученые использовали так называемые случайные квантовые схемы (RCS). Представьте себе сложную сеть переплетенных проводов, по которым текут не электрические токи, а квантовые биты — кубиты. В RCS кубиты подвергаются серии случайных квантовых операций, подобно шарикам, хаотично блуждающим по лабиринту.

Оказывается, сложность моделирования подобных схем на классическом компьютере экспоненциально возрастает с увеличением числа кубитов и глубины схемы (количества операций). Это свойство делает RCS идеальной площадкой для демонстрации «квантового превосходства» — способности квантовых компьютеров решать задачи, недоступные классическим аналогам.

Две стороны медали: шум как враг и союзник

Но есть и обратная сторона медали: шум, возникающий из-за несовершенства квантовых устройств, способен разрушать хрупкие квантовые корреляции, лежащие в основе сложности RCS. Ученые обнаружили, что в зависимости от уровня шума, квантовая система может находиться в двух различных фазах.

В фазе сильного шума квантовые корреляции разрушаются, и система становится «уязвимой» для классического моделирования. Другими словами, сложная квантовая задача превращается в набор простых, которые можно решить на обычном компьютере.

Однако, если уровень шума достаточно низок, система переходит в фазу слабого шума, где квантовые корреляции охватывают всю систему, делая ее вычислительно сложной и недоступной для классического моделирования.

Фазовые переходы: нащупывая границу хаоса

Граница между этими двумя фазами представляет собой фазовый переход, подобный переходу воды из жидкого состояния в твердое. Ученые обнаружили, что положение этого перехода зависит не только от уровня шума, но и от архитектуры квантовой схемы.

Например, в схемах с «слабыми связями», где группы кубитов взаимодействуют между собой реже, переход в фазу слабого шума происходит при более высоком уровне шума. Это открытие может помочь инженерам создавать более устойчивые к шуму квантовые процессоры.

Квантовый процессор Sycamore: за гранью классических возможностей

Чтобы продемонстрировать «квантовое превосходство» в фазе слабого шума, ученые провели эксперимент на 67-кубитном процессоре Sycamore. Они использовали схему с 32 циклами операций и достигли уровня достоверности 0.1%.

Оценка сложности моделирования этой схемы на классическом компьютере показала, что даже с использованием самых современных суперкомпьютеров и алгоритмов, это займет тысячи лет.

Взгляд в будущее: квантовые технологии на пороге новой эры

Результаты исследования демонстрируют, что несмотря на неизбежный шум, квантовые компьютеры способны выполнять вычисления, недоступные классическим аналогам. Понимание фазовых переходов, вызванных шумом, открывает путь к созданию более устойчивых и мощных квантовых процессоров.

Мы стоим на пороге новой эры квантовых технологий, которые обещают революционизировать многие области науки и техники, от медицины и материаловедения до искусственного интеллекта и криптографии.

И хотя путь к созданию полноценного квантового компьютера еще долог и тернист, результаты исследования Google — это важный шаг на пути к реализации этой амбициозной цели.