Квантовые компьютеры — вычислительные системы, которые обрабатывают информацию, используя квантово-механические эффекты, — вскоре могут превзойти классические компьютеры в различных задачах оптимизации и вычислений.
Однако для их надёжной работы в реальных условиях инженеры и физики должны уметь точно контролировать и понимать квантовые состояния, лежащие в основе функционирования квантовых процессоров.
Исследовательская группа под руководством Дапэн Ю в Шэньчжэньской международной квантовой академии, университете Тунцзи и других институтах Китая недавно представила новый математический инструмент, который может быть использован для более точной характеристики квантовых состояний в квантовых процессорах.
Их предложенный метод, описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, был успешно использован для характеристики запутанности между 17 кубитами в сверхпроводящем квантовом процессоре.
«Наша работа родилась из фундаментальной проблемы в квантовых информационных технологиях», — рассказал Phys.org Шуминг Ченг, соавтор статьи. «По мере того как мы разрабатываем более крупные и мощные квантовые компьютеры, как мы можем убедиться, что они работают и функционируют должным образом? Для ответа на этот вопрос одним из широко используемых методов является системная идентификация, включая квантовую томографию состояний (QST) для характеристики неизвестных состояний квантовых систем, процесс томографии для квантовых вентилей и детекторную томографию для измерений».
Несмотря на свой потенциал, QST и другие существующие методы определения того, работают ли квантовые процессоры должным образом, оказались неэффективными, особенно при применении к более крупным системам, состоящим из большего числа кубитов. Это связано с тем, что они требуют сбора многочисленных физических измерений, а также потребляют значительные вычислительные мощности для выполнения анализа.
«Ограничения QST и подобных методов сделали невероятно сложной задачу точной характеристики крупномасштабных квантовых систем, которые мы создаём», — сказал Чанг-Кан Ху, первый автор статьи. «Основной целью нашего исследования была разработка нового метода QST, который был бы более масштабируемым и точным, даже при наличии шума и практических ограничений современного квантового оборудования».
Цель — разработать полезный инструмент, способный предоставить полную картину любой крупномасштабной квантовой системы, а также окончательно подтвердить наличие в ней подлинной многокубитной запутанности, что важно для квантовых вычислений и связи.
«В относительно простых терминах наш подход можно рассматривать как использование сложного «умного алгоритма» для преобразования размытой и неполной фотографии квантовых систем в чёткое изображение», — сказал Ченг. «В этой аналогии «фотография» относится к необработанным данным, собранным при проведении измерений на квантовом процессоре, которые обычно несовершенны из-за шума и ограниченного числа измерений. Соответственно, «умный алгоритм» — это то, что мы называем регуляризованным по чистоте методом наименьших квадратов».
Для характеристики квантовых состояний инструменты, разработанные Дянь Таном и Сун Лю, соавторами статьи, выполняют два основных шага. Во-первых, он пытается найти математическое описание квантового состояния, которое наилучшим образом соответствует собранным измерениям. Примечательно, что этот первый шаг также выполняется с помощью ранее представленных стратегий QST. Второй шаг, называемый регуляризацией по чистоте, является ключевым новым аспектом метода команды.
«Наш метод вводит дополнительный руководящий принцип, добавляя знания о чистоте состояния в процесс», — объяснил Тан. «Вообще говоря, «чистое» квантовое состояние — это идеально определённое и бесшумное состояние, в то время как «смешанное» состояние ухудшается из-за шума и становится более сложным для характеристики. Направляя нашу реконструкцию к состоянию с более точным уровнем чистоты, мы можем значительно повысить точность и избежать многих ошибок, которые мешают другим методам, особенно когда мы не можем выполнить исчерпывающее количество измерений».
Чтобы оценить потенциал предложенного ими инструмента, Ху и Тан вместе с коллегами применили его на реальном сверхпроводящем квантовом процессоре, который они создали. Процессор был настроен на генерацию сильно запутанных многокубитных состояний, особенно так называемого состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), включающего до 17 кубитов.
«Наш метод был использован для реконструкции этих состояний на основе экспериментальных данных, и экспериментальные результаты подтверждают, что он достигает высокой точности 0,6817(1) для 17-кубитного состояния GHZ», — сказал Ху. «Это замечательный результат для системы такого размера, где точность состояния является важной мерой того, насколько близко наше реконструированное состояние к идеальному целевому состоянию. Мы считаем, что наше исследование вносит вклад в область характеристики и тестирования шумных квантовых систем».
Полная характеристика состояния 17-кубитного состояния GHZ является одной из крупнейших реконструкций квантовых состояний, выполненных на сегодняшний день на аппаратной системе. Результаты, достигнутые в ходе начальных испытаний, подчёркивают как точность, так и масштабируемость стратегии характеристики квантового состояния.
«Наш метод демонстрирует превосходную точность по сравнению с другими распространёнными методами, особенно при использовании ограниченного, практического числа измерений», — сказал Ченг. «Это критически важно, поскольку делает детальную характеристику осуществимой для более крупных процессоров, разрабатываемых в настоящее время. Более того, результаты наших экспериментов окончательно подтверждают наличие подлинной 17-кубитной запутанности в нашем процессоре, подтверждая, что он может надёжно генерировать сложные квантовые ресурсы, необходимые для мощных вычислений».
В будущем подход, разработанный Ху, Таном и Ченгом, может быть использован другими исследователями для надёжной оценки функциональности процессоров и характеристики их основных квантовых состояний. Это, в свою очередь, может помочь в калибровке квантовых процессоров и выявлении проблем, которые необходимо устранить, что потенциально может способствовать будущему широкому внедрению квантовых технологий.
«Нашей ближайшей целью будет расширение границ масштабирования путём применения нашего метода к ещё более крупным и сложным квантовым системам», — добавил Ченг. «Помимо этого, мы планируем использовать этот высокоточный инструмент для анализа состояний, возникающих при выполнении различных квантовых алгоритмов, что позволит нам лучше понять, как шум влияет на их производительность, и разработать более эффективные стратегии смягчения ошибок».
В конечном счёте, наш подход обеспечивает эффективный путь к полной характеристике шумных квантовых систем промежуточного масштаба, что является решающим шагом на пути к отказоустойчивым квантовым вычислениям.