„Размяна“ на пространство с време: физиците преодоляха времевата бариера при квантовите измервания

Как едно ново откритие променя подхода към измерванията в квантовата физика.

Учени от Бристолския университет и редица други водещи университети предложиха нов начин за ускоряване на квантовите измервания, който може значително да повлияе на развитието на квантовите технологии. В неотдавнашна публикация във Physical Review Letters те описват схема, която позволява да се „разменя“ пространство за време: чрез използването на допълнителни кубити измерванията могат да се извършват по-бързо, без да се губи точността, а понякога дори да се увеличава.

Обикновено е необходимо доста дълго време, за да се получат точните данни за състоянието на даден кубит – т.е. да се определи дали той е в състояние 0 или 1 – за да се направи измерване. Това е от решаващо значение, например при коригиране на грешки по средата на изпълнението на квантова програма, където всяко забавяне може да провали усилията за гарантиране надеждността на изчисленията. Проблемът се усложнява от факта, че дългите измервания увеличават риска от въздействието на шума и загубата на кохерентност.

За да заобиколи тези ограничения, екипът, ръководен от Кристофър Корлет, професор Ноа Линден и д-р Пол Скржипчик, разработи метод, включващ така наречените спомагателни (или допълнителни) кубити. Те предлагат копиране на информацията от главния кубит към допълнителните кубити с помощта на елементарни логически операции (CNOT гейтове), след което измерват всички кубити едновременно, като това става за много по-кратко време. Така например, вместо едно петминутно измерване, може да се измерят пет паралелни кубита само за една минута – и да се получи съпоставима точност.

Изследователите обясняват идеята си с проста аналогия. Представете си, че ви показват две чаши с вода, едната от които съдържа 100 мл, а другата – 90 мл. Ако разполагате само със секунда, за да ги разгледате, различаването на двете може да бъде трудно. Но ако обемите се увеличат на 200 и 180 мл, разликата става по-забележима. По същия начин спомагателните кубити „усилват“ информацията, която може да се получи за кратко време.

Този метод се оказва не само бърз, но и устойчив на шумовете. Дори в реалните квантови системи, където избягването на грешките на практика е невъзможно, новата схема показва значително ускорение и дори надхвърля очакваното подобрение. При идеални условия изследователите регистрират строго линейно увеличение на скоростта: два пъти повече кубити – два пъти по-бързо измерване. А при наличие на шум ускорението понякога е било дори по-голямо.

Важно е да се отбележи, че схемата е съвместима с различните видове квантови платформи – от свръхпроводници до хванати в капан йони и студени атоми. Сега екипът работи по адаптирането на метода за специфични системи, най-вече за свръхпроводящи кубити, които активно се разработват в рамките на индустриални квантови проекти.

Самата идея за размяна на време срещу ресурси под формата на допълнителни кубити може да изиграе ключова роля в изграждането на по-бързи и по-надеждни квантови компютри – област, в която всяко подобрение на точността и скоростта може значително да приближи появата на мащабируеми квантови компютри.