Квантовые информационные системы — это системы, которые обрабатывают, хранят или передают информацию, используя квантово-механические эффекты. В принципе, они могут превосходить классические системы в некоторых задачах оптимизации, вычислений, сенсоринга и обучения.
Важным аспектом квантовой информатики является надёжная количественная оценка квантовых состояний в системе, чтобы проверить, соответствуют ли они желаемым (то есть целевым) состояниям.
Традиционные протоколы проверки квантовых состояний
Традиционные протоколы проверки квантовых состояний основаны на экспериментально сложных глубоких квантовых схемах или экспоненциальном количестве измерений отдельных кубитов. Это делает их непрактичными для реальных приложений, особенно для количественной оценки сильно запутанных состояний в более крупных квантовых информационных системах.
Новый подход
Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали более масштабируемый подход, который можно использовать для количественной оценки и проверки почти всех квантовых состояний. Этот недавно представленный протокол, представленный в статье, опубликованной в Nature Physics, основан на значительно меньшем количестве измерений отдельных кубитов и вычислений, чем предлагалось ранее.
«Наша первоначальная мотивация возникла из необходимости проверить представления нейронных сетей для квантовых состояний», — рассказал Phys.org один из авторов статьи Хсин-Юань (Роберт) Хуан. «Нейронные сети доказали свою эффективность в представлении разнообразных квантовых состояний, включая состояния с чрезвычайно высокой запутанностью. Однако, как и в повседневных генеративных моделях искусственного интеллекта, таких как ChatGPT, эти модели могут генерировать несуществующие закономерности в данных».
После того как алгоритм глубокого обучения обучается на экспериментальных измерениях квантового состояния, он иногда может усвоить «ложные» корреляции вместо подлинных квантовых особенностей — явление, известное как «галлюцинация». Если модель усвоит эти фальшивые корреляции, она больше не сможет достоверно представлять квантовое состояние или предлагать идеи, которые могли бы помочь сделать научные выводы о квантовой системе, которая была измерена.
«Наша основная цель состояла в том, чтобы разработать строгий подход для проверки того, что модель нейронной сети точно представляет лабораторное состояние, гарантируя, что учёные смогут с уверенностью использовать эти модели для квантовых исследований», — сказал Хуан.
Новый протокол, разработанный Хуаном и его коллегами, на удивление прост, но пока доказал свою высокую эффективность. По сути, этот подход работает путём случайного выбора одного кубита из исследуемой квантовой системы и измерения случайно выбранного оператора Паули в этом кубите (то есть одного из трёх ключевых квантово-наблюдаемых признаков), при этом все остальные кубиты измеряются на стандартной основе.
«Повторяя эту процедуру полиномиальное количество раз, мы доказываем, что данные измерений эффективно подтверждают, соответствует ли целевое состояние лабораторному», — пояснил Хуан. «Ключевое преимущество заключается в том, что для этого требуются только измерения отдельных кубитов. Для реализации нашего протокола не требуются передовые возможности квантовых вычислений или операции запутывания. Кроме того, мы доказываем, что эти простые измерения отдельных кубитов работают почти для всех целевых состояний, даже для тех, которые имеют экспоненциально высокую сложность схемы и максимальную запутанность».
Исследователи показали, что измерение отдельных кубитов таким случайным образом позволило им определить, близка ли многокубитная система к своему целевому квантовому состоянию. Примечательно, что в их статье предполагается, что их подход может быть применим для проверки почти всех квантовых состояний.
«Это означает, что локальные измерения отдельных кубитов могут выявить сложную запутанность и квантовые корреляции, охватывающие всю систему», — сказал Хуан. «До этой работы преобладало мнение, что такие локальные измерения могут исследовать только локальные корреляции, но не глобальные квантовые свойства, такие как высоконелокальная запутанность во всей системе многих тел. Наши результаты коренным образом меняют эту точку зрения, показывая, что простые локальные измерения содержат гораздо больше информации о глобальной квантовой структуре, чем считалось ранее».
Новый протокол, представленный Хуаном и его коллегами, вскоре может быть дополнительно проверен в тестах с участием различных созданных в лаборатории квантовых систем. Другие исследовательские группы также могут использовать этот подход или разработать аналогичные для количественной оценки квантовых состояний, возникающих в разрабатываемых ими системах.
«Мы сейчас изучаем более широкие последствия этого удивительного факта, что для выявления высоконелокальной структуры запутанности достаточно измерений отдельных кубитов», — добавил Хуан. «Это будет включать разработку улучшенных протоколов для тестирования квантовых устройств, проверки моделей нейронных сетей квантовых состояний и расширение сертификации на другие квантовые объекты, такие как квантовая динамика и квантовые каналы. Мы также заинтересованы в понимании фундаментальных ограничений того, что можно узнать с помощью локальных измерений, и разработке эффективных алгоритмов квантового обучения, которые используют эти идеи».