„Магията“ в квантовите компютри: наука или мистификация

Квантовото заплитане, една от ключовите концепции на квантовата теория на информацията, традиционно се разглежда като показател за „квантовостта“ на дадена система. Връзката между заплитането и изчислителната мощ на квантовите компютри обаче далеч не е ясна. В ново изследване, публикувано в сървъра за предпечатни публикации arXiv, екип от физици от Германия, Италия и САЩ изследва тази сложна връзка, като разкрива важната роля на това свойство, известно и като „магията“ в теорията на заплитането. Откритията имат голямо значение за различни области, включително за квантовата корекция на грешките, физиката на множеството тела и квантовия хаос.

Традиционно се смята, че колкото по-заплетени са кубитите в един квантов компютър, толкова по-голяма е неговата изчислителна мощ. Този възглед обаче се оспорва от факта, че някои силно заплетени състояния могат да бъдат ефективно симулирани на класически компютри и нямат изчислителната мощ, която е характерна за другите квантови състояния. Тези състояния обикновено се създават с помощта на т.нар. клифордови вериги, които се поддават на класическа симулация.

За да обяснят това несъответствие, изследователите са въвели понятието „магия“. Магията измерва количеството неклифордови ресурси, необходими за подготовката на квантовото състояние, и служи като по-фина мярка за изчислителната мощ на квантовото състояние.

Изучаване на заплитането и магията

В новото изследване докторантът от Харвард Анди Гу, заедно с докторантите Салваторе Ф. Е. Оливиеро от École Normale Supérieure и CNR в Пиза и Лоренцо Леоне от Центъра за сложни квантови системи в Берлин, изследват връзката между заплитането и магията, като разглеждат операции като оценка на заплитането, дестилация и размиване.

Първата от тези задачи има за цел да определи количествено степента на заплетеност в дадена квантова система. Целта на дестилацията на заплитането е да се използват локални операции и класическа комуникация (LOCC), за да се трансформира квантовото състояние във възможно най-много двойки на Бел. За разлика от това дестилацията на заплитането включва противоположната задача: преобразуване на копия на състоянието на Бел в по-малко заплетени състояния с много висока точност.

Гу и колегите му разкриват разделянето на квантовите състояния на две фази: доминирана от заплитане (ED) и доминирана от магия (MD). В първата фаза заплитането значително превъзхожда магията, което позволява да се използват ефективни квантови алгоритми за изпълнение на различни задачи, свързани със заплитането. Например ентропията на заплитането може да бъде оценена с пренебрежимо малка грешка, като са предложени ефективни протоколи за манипулиране на заплитането (например дестилация и разреждане). Изследователите предложиха и ефикасни методи за откриване на заплитането в зашумените състояния на ED, за които беше установено, че са по-стабилни в сравнение с конвенционалните състояния.

Обратното, магията доминира над заплитането в MD фазата. Това прави проблемите, свързани със заплитането, изчислително неразрешими, като подчертава значителните изчислителни разходи, свързани с магията, и изисква по-сложни подходи.

„Винаги можем ефективно да решаваме проблемите, свързани със заплитането, за ED състоянията, но за MD състоянията ситуацията е по-сложна – понякога нещо работи, а понякога нищо не работи“, отбелязват Гу, Леоне и Оливиеро в интервю за Physics World.