Как псевдомагическите състояния могат да променят квантовата криптография

Ново проучване, публикувано в престижното научно списание Physical Review Letters представя нова концепция за така наречените „псевдомагически квантови състояния“.

Тези състояния се характеризират с изключително висока степен на квантово заплитане и сложност, което би могло да бъде важна стъпка към постигането на квантово превъзходство.

Квантовото превъзходство е способността на квантовите компютри да решават определени проблеми, които са практически невъзможни за класическите компютри поради ограничените изчислителни възможности на последните. Крайната цел е универсално квантово изчисление, т.е. способността на квантовите устройства да изпълняват всякакви квантови алгоритми.

В своето изследване учените са изучавали нестабилизирани квантови състояния, наречени „магически“ състояния. Именно високата им сложност и заплетеност правят невъзможно ефективното моделиране на такива състояния от класическите компютри. Именно това свойство дава на квантовите компютри потенциалното им предимство по отношение на изчислителната мощност.

Physic.org разговаря със съавторите на изследването – докторанта от Харвард Анди Гу и постдокторанта от Свободния университет в Берлин д-р Лоренцо Леоне. Гу отбеляза, че квантовите компютри са по-мощни от класическите, а терминът „неустойчивост“ или „магия“ се отнася до мярката на некласическите ресурси, които притежава квантовото състояние.

Стабилизирани и нестабилизирани квантови състояния

Всяка квантова система може да бъде представена чрез квантово състояние – математическо уравнение, което съдържа цялата информация за системата. Стабилизираното състояние е вид квантово състояние, което може да бъде ефективно симулирано на класически компютър. Д-р Леоне обясни, че тези състояния и ограничен набор от квантови операции формират класически симулирана структура, но те са недостатъчни за постигане на универсален квантов компютър. За да се извършат истински квантови изчисления отвъд възможностите на класическите компютри са необходими нестабилизирани състояния, които се създават трудно поради необходимостта от по-сложни квантови операции.

Гу обясни, че нестабилизираните състояния са ресурс за квантово превъзходство: Колкото по-нестабилно е едно квантово състояние, толкова по-мощно е то като ресурс за квантови изчисления.

Псевдомагически състояния

Изследователите предложиха концепцията за псевдомагически квантови състояния, които притежават свойствата на нестабилизираните състояния, но са неразличими от случайните квантови състояния за наблюдател с ограничени изчислителни ресурси. Това означава, че псевдомагическите състояния изглеждат магически, но са много по-лесни за създаване.

Д-р Леоне отбеляза, че разграничаването на псевдомагическите състояния от истински магически състояния изисква експоненциално количество изчислителни ресурси, което го прави невъзможно за реален наблюдател. Гу добави, че псевдомагическите състояния се създават така, че да изглеждат силно нестабилни за ограничените квантови наблюдатели.

Полагане на основите

Изследователите очертаха теоретичната основа на псевдомагическите състояния чрез 6 теореми и тяхното приложение в квантовите изчисления. Те създадоха псевдомагически състояния с регулируема разлика между тяхната реална и привидна нестабилност. Това означава, че е възможно да се създадат състояния, които изглеждат като мощни ресурси за квантовите изчисления, докато в действителност те са по-малко ресурсоемки.

В основата на тази рамка е понятието стабилизационна ентропия, което измерва нестабилността на квантовата система. За разлика от други мерки за стабилизация, ентропията на стабилизатора е по-малко скъпа от изчислителна гледна точка.

Приложения в квантовите изчисления

Изследователите са определили 3 области, в които псевдомагическите състояния биха могли да бъдат от значение, като се започне с квантовата криптография. Според изследването, псевдомагическите състояния въвеждат нов протокол за квантова криптография, базиран на двойки EFI (Efficiently preparable, statistically far, but computationally indistinguishable/Ефективно подготвими, статистически далеч, но изчислително неразличими), който може да подобри сигурността на предаването на данни.

Освен това псевдомагическите състояния могат да дадат нов поглед върху квантовия хаос и смесването, което е важно за разбирането на поведението на сложни квантови системи и разпространението на квантова информация. Гу отбеляза, че разграничението между привидни и реални квантови магически състояния подчертава необходимостта да се вземат предвид ограниченията на реалистичните наблюдатели при изучаването на квантовите системи.

И накрая, псевдомагическите състояния могат да се използват за създаване на по-ефективни квантови компютри, устойчиви на грешки, чрез процеса на „дестилация“ на магическите състояния, което подобрява пригодността им за квантови алгоритми и схеми за корекция на грешки.

В бъдеще изследователите планират да проучат връзката между псевдомагическите състояния и концепциите на квантовата теория на информацията, както и експерименталното реализиране на псевдомагически състояния с помощта на настоящи и усъвършенствани квантови устройства. Това би могло да доведе до разработването на практически приложения, които използват уникалните свойства на тези състояния, заключи д-р Леоне.