Группа исследователей из Мэрилендского университета, NIST, IonQ Inc. и Квантового центра Дьюка совершила значительный прорыв в понимании квантовой механики и информации, продемонстрировав новое поведение квантовых состояний при воздействии когерентных ошибок. «Магия» квантовых состояний, описывающая степень их отклонения от состояний стабилизатора, имеет решающее значение для реализации универсальных и отказоустойчивых квантовых вычислений.

В своей работе, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи показали, что случайный код стабилизатора демонстрирует фазовый переход в отношении «магии», аналогичный ранее наблюдаемому для запутанности. Этот переход включает две силы: создание ресурса и его уничтожение. В случае «магии» квантовых состояний этими силами являются «сколько измеряется» и «сколько вращается кубитов».

Фотография квантового компьютера с захваченными ионами, на котором проводился эксперимент. Источник: IonQ

Прадип Нирула, соавтор статьи, пояснил: «Хотя суперпозиция и запутанность — это термины, которые люди чаще всего ассоциируют с квантовыми компьютерами, оказывается, их недостаточно, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем классические. Чтобы достичь квантового преимущества над традиционными или классическими компьютерами, нужен ещё один ингредиент, называемый "магией" или "нестабилизированностью". Только когда в системе много "магии", она выходит за рамки того, что возможно с классическим компьютером».

Исследователи сначала провели численные симуляции, которые дали весомые доказательства существования фазового перехода в нестабилизированности. Затем они проверили свою гипотезу в экспериментальной обстановке, используя реальные квантовые схемы. Результаты показали признаки фазового перехода даже в шумной среде.

а) модель схемы, используемая в исследовании. Когерентная ошибка используется для настройки «магии» на случайный код стабилизатора. b) Схематическая иллюстрация того, как «магия» создаётся и уничтожается из схемы. c) Фазовая диаграмма «магии». Источник: Niroula et al.

Нирула добавил: «Более ранние работы обнаружили другие виды переходов в запутанности, зарядах и т. д., и это поднимает вопросы: какие другие ресурсы могут демонстрировать подобные переходы? Все ли они принадлежат к какому-то универсальному типу перехода? Также важно, чему нас учит наличие фазового перехода в отношении создания устойчивых к шумам квантовых компьютеров?»

Результаты этого исследования открывают новые возможности для исследований, сосредоточенных на ресурсах в системах квантовых вычислений с исправлением ошибок. Будущие исследования могли бы изучить другие свойства и ресурсы, которые демонстрируют фазовый переход, напоминающий те, которые наблюдаются для запутанности и «магии». Кроме того, исследователи намерены изучить возможность использования своего эксперимента как «фабрики магических состояний», где можно производить состояния нестабилизированности для квантового компьютера.

«В настоящее время в этой области наблюдается большой интерес к демонстрации примитивов или базовых блоков исправления ошибок, и наша работа может стать частью этого», — заключил Нирула.

Подробнее на iXBT