Подтвержденное квантовое преимущество: исследователи сократили время выполнения учебной задачи с 20 миллионов лет до 15 минут
Наука из наших ускорителей
Многие научные открытия, полученные с помощью наших ускорителей, публикуются спустя долгое время после завершения столкновений. Поэтому сохранение экспериментальных данных для будущих физиков имеет решающее значение.
Каждый секунду в Большом адронном коллайдере (БАК) сталкиваются около миллиарда пар частиц. Вместе с ними детекторы фиксируют петабайт данных о столкновениях, которые проходят через высокоселективные фильтры, известные как триггерные системы. Менее 0,001% данных выживает в этом процессе и достигает Центра данных CERN, чтобы быть скопированными на долгосрочные носители.
Этот архив теперь представляет собой крупнейший научный набор данных, когда-либо собранный. Однако сегодня мы, возможно, не можем извлечь из него всю науку, что делает сохранение данных необходимым для будущих физиков.
Последние наблюдения
Последний наблюдаемый взрыв сверхновой в Млечном Пути датируется 9 октября 1604 года. Сколько ещё мы могли бы узнать, если бы помимо заметок, сделанных немецким астрономом Иоганном Кеплером в то время, мы могли бы увидеть то, что он видел своими глазами? Наша способность извлекать информацию из лабораторных данных зависит от текущих вычислительных возможностей, методов анализа и теоретических рамок. Новые открытия могут ждать своего часа, похороненные в какой-нибудь базе данных, и потенциал для будущих открытий зависит от сохранения результатов, которые мы собираем сегодня.
Сохранение данных
Чтобы данные выдержали испытание временем, их необходимо архивировать, дублировать, защищать и переводить в современные форматы, прежде чем мы потеряем экспертизу и технологии для их чтения и интерпретации. В соответствии с рекомендациями, изложенными в недавней статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, «Рекомендации по передовому опыту сохранения данных и открытой науки в физике высоких энергий», выпущенной Международным комитетом по будущим ускорителям (ICFA), усилия по сохранению требуют планирования и чётких политических руководств, а также стабильного потока ресурсов и непрерывного научного надзора.
Группа по сохранению данных в физике высоких энергий (DPHEP), созданная в 2014 году под эгидой ICFA при активной поддержке CERN, считает, что выделение менее 1% бюджета на строительство объекта для сохранения данных может увеличить научную отдачу более чем на 10%.
Открытия в прошлом
В последнем выпуске CERN Courier Кристинел Диакону и Ульрих Швиккерат вспоминают о некоторых наиболее замечательных сокровищах, обнаруженных в ходе прошлых экспериментов, таких как Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), данные которого остаются актуальными для будущих электрон-позитронных коллайдеров спустя двадцать пять лет, и HERA, который до сих пор используется для изучения сильного взаимодействия почти два десятилетия после своего закрытия.
Диакону и Швиккерат выступают за совместную приверженность международному сотрудничеству и открытым данным как способу максимизации преимуществ фундаментальных исследований в соответствии с принципами FAIR (находимость, доступность, совместимость и возможность повторного использования).
Квантовое преимущество
Среди высоких ожиданий от квантовых технологий новая статья в Science сообщает о доказанном квантовом преимуществе. В эксперименте запутанный свет позволил исследователям изучить шум системы с помощью очень небольшого количества измерений.
Исследователи из Технического университета Дании (DTU) и международные партнёры продемонстрировали, что запутанный свет может сократить количество измерений, необходимых для изучения поведения сложной, шумной квантовой системы, на огромный порядок.
«Это первое доказанное квантовое преимущество для фотонной системы», — говорит автор статьи Ульрик Лунд Андерсен, профессор физики в DTU. «Знание того, что такое преимущество возможно с помощью простой оптической установки, должно помочь другим искать области, где этот подход будет эффективен, например, в сенсорах и машинном обучении».
Работа под названием «Квантовое преимущество в обучении на масштабируемой фотонной платформе» была выполнена в сотрудничестве с коллегами из США, Канады и Южной Кореи.
В основе исследования лежит проблема, которая возникает во всех науках и технике: когда вы хотите понять или охарактеризовать физическую систему, такую как устройство, вы проводите повторные измерения и на их основе, например, определяете «отпечаток шума» устройства.
Однако в квантовых устройствах это не так просто. Во-первых, квантовый шум является частью измерений. Кроме того, количество экспериментов, необходимых для сложных систем, может расти экспоненциально с размером системы, что быстро становится непрактичным или даже невозможным. Исследователи стремились найти другой способ, используя запутанный свет.
Запутанность — это ключевое понятие в квантовой механике, где две частицы или световые лучи настолько сильно связаны, что измерение одной мгновенно сообщает что-то о другой.
«Мы создали процесс, который мы могли контролировать, и задали простой вопрос: уменьшает ли запутанность количество измерений, необходимых для изучения такой системы? И ответ — да, значительно. Мы изучили поведение нашей системы за 15 минут, в то время как сопоставимый классический подход занял бы около 20 миллионов лет», — говорит Андерсен.
После того как в 2024 году в статье «Преимущество запутывания для изучения бозонного канала случайных смещений» была заложена теоретическая основа, исследователи поняли, что запутанный свет, вероятно, решит проблему.
Эксперимент был проведён в подвале физического факультета DTU и работает на телекоммуникационных длинах волн с хорошо известными оптическими компонентами. Он работает даже при обычных потерях в установке. Это важно, говорят исследователи, потому что показывает, что выигрыш достигается за счёт того, как вы измеряете, а не за счёт идеального измерительного устройства.
Система состояла из оптического канала, в котором несколько световых импульсов имели одинаковый паттерн шума. Два луча света были подготовлены — или, точнее, сжаты — так, чтобы они стали запутанными. Один луч используется для исследования системы; другой — для справки. Совместное измерение сравнивает их за один раз, и это сравнение отменяет большую часть нечёткости измерений и извлекает больше информации за одно испытание, чем при просмотре зонда в одиночку.
Йонас Шоу Нергоргард-Нильсен, доцент физического факультета DTU и соавтор статьи, подчёркивает, что исследователи пока не нацелились на конкретную реальную систему.
«Хотя многие говорят о квантовых технологиях и о том, как они превосходят классические компьютеры, факт остаётся фактом: сегодня они этого не делают. Поэтому нас удовлетворяет то, что мы наконец нашли квантово-механическую систему, которая делает то, что никакая классическая система никогда не сможет сделать», — говорит Нергоргард-Нильсен.
Исследовательский проект возглавлял центр bigQ DTU под руководством Ульрика Лунд Андерсена, а со-руководителем проекта был Йонас Шоу Нергоргард-Нильсен. Ведущими авторами статьи являются постдок Чжэнхао Лю и аспирант Роман Брюнель, которые также работают в центре bigQ DTU и в физическом факультете DTU. Помимо DTU, партнёрами по статье являются исследователи из Чикагского университета, Института Периметра, Университета Ватерлоо, Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института и KAIST.