Новости «Магия» в квантовых компьютерах: наука или мистификация

NewsMaker

I'm just a script
Премиум
13,850
20
8 Ноя 2022
Ученые обнаружили новый фактор, влияющий на производительность квантовых систем.


1qj9mtyu157928ea5mwe804z8vrcz4z3.jpg


Квантовая запутанность, одно из ключевых понятий квантовой теории информации, традиционно рассматривается как показатель «квантовости» системы. Однако связь между запутанностью и вычислительной мощностью квантовых компьютеров далеко не очевидна. В новом исследовании, опубликованном на сервере препринтов Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся , группа физиков из Германии, Италии и США изучила эту сложную взаимосвязь, выявив важную роль свойства, известного как «магия», в теории запутанности. Полученные результаты имеют широкие последствия для различных областей, включая квантовую коррекцию ошибок, физику многих тел и квантовый хаос.

Традиционно считается, что чем сильнее запутаны кубиты в квантовом компьютере, тем больше его вычислительные возможности. Однако эта точка зрения подвергается сомнению из-за того, что некоторые сильно запутанные состояния могут эффективно симулироваться на классических компьютерах и не обладают той вычислительной мощностью, которая свойственна другим квантовым состояниям. Эти состояния, как правило, создаются с помощью так называемых Клифордовых цепей, которые поддаются классической симуляции.

Чтобы объяснить это расхождение, исследователи ввели концепцию «магии». Магия измеряет количество неклиффордовых ресурсов, необходимых для подготовки квантового состояния, и служит более тонким показателем вычислительной мощности квантового состояния.

<h3> Изучение запутанности и магии </h3> В новом исследовании аспирант Гарвардского университета Анди Гу, вместе с постдоками Сальваторе Ф. Э. Оливьеро из Высшей нормальной школы и CNR в Пизе и Лоренцо Леоне из Центра сложных квантовых систем в Берлине, исследовали взаимосвязь запутанности и магии, рассматривая такие операции, как оценка запутанности, дистилляция и разведение.

Первое из этих заданий направлено на количественную оценку степени запутанности в квантовой системе. Целью дистилляции запутанности является использование локальных операций и классической коммуникации (local operations and classical communication, LOCC) для преобразования квантового состояния в максимально возможное число пар Белла. Напротив, разведение запутанности предполагает обратную задачу: преобразование копий состояния Белла в менее запутанные состояния с высокой точностью.

Гу и его коллеги выявили разделение квантовых состояний на две фазы: доминируемую запутанностью (entanglement-dominated, ED) и доминируемую магией (magic-dominated, MD). В первой фазе запутанность значительно превосходит магию, что позволяет использовать эффективные квантовые алгоритмы для выполнения различных задач, связанных с запутанностью. Например, энтропия запутанности может быть оценена с незначительной ошибкой, а также предложены эффективные протоколы для манипуляции запутанностью (например, дистилляции и разведения). Исследователи также предложили эффективные методы обнаружения запутанности в зашумленных состояниях ED, которые оказались более устойчивыми по сравнению с традиционными состояниями.

Наоборот, в фазе MD магия доминирует над запутанностью. Это делает задачи, связанные с запутанностью, вычислительно неразрешимыми, что подчеркивает значительные вычислительные затраты, связанные с магией, и требует более сложных подходов. «Мы всегда можем эффективно решать задачи, связанные с запутанностью, для состояний ED, но для состояний MD ситуация сложнее — иногда что-то работает, а иногда ничего не получается», — отмечают Гу, Леоне и Оливьеро в интервью Physics World.

<h3> Практическое значение </h3> Разделение квантовых состояний на фазы ED и MD имеет важное значение для квантовой коррекции ошибок. Понимание взаимодействия между запутанностью и магией может улучшить проектирование кодов коррекции ошибок, которые защищают квантовую информацию от декогеренции (потери квантовости) и других ошибок. Например, топологические коды коррекции ошибок, основанные на устойчивости запутанности, такие как трехмерные топологические модели, могут получить выгоду от понимания различий между фазами ED и MD.

Предложенная исследователями структура также объясняет наблюдаемые численные результаты в гибридных квантовых цепях (случайных цепях с промежуточными измерениями), где были выявлены переходы между фазами. Эти результаты способствуют лучшему пониманию динамики запутанности в системах с многими телами и демонстрируют, что запутанность состояний в фазе ED устойчива к шумам.

В дальнейшем исследователи планируют изучить возможность классической симуляции состояний ED, характеризующихся эффективной манипуляцией запутанностью даже при наличии множества неклиффордовых ворот, а также оценить, можно ли эффективно выполнять другие квантовые задачи для этих состояний. Ещё одним направлением исследований может стать расширение данной структуры на системы с непрерывными переменными, такие как бозоны и фермионы.
 
Источник новости
www.securitylab.ru

Похожие темы