Нове дослідження, проведене науковцями з Каліфорнійського технологічного інституту, демонструє, що для підвищення ефективності квантових обчислень можна використовувати квантовий хаос замість традиційного підходу збільшення кількості квантових бітів, відкриваючи новий напрямок у розвитку квантових технологій.
Квантові комп’ютери розглядаються як технологія, здатна революціонізувати багато галузей науки та техніки. Однак їхній розвиток стикається з численними технічними викликами. Один із найпоширеніших підходів до підвищення потужності квантових комп’ютерів полягає у збільшенні кількості кубітів — квантових бітів, що є основними функціональними елементами цих пристроїв. Проте новий метод пропонує альтернативний шлях.
Дослідницька група на чолі з Вай-Кеонгом Моком розробила інноваційний підхід, що використовує квантовий хаос для створення квантової випадковості. Ця методика може дозволити квантовим комп’ютерам виконувати завдання, які здавалися надто складними для наявної кількості кубітів. Відкриття може суттєво вплинути на швидкість розвитку практичних квантових технологій.
Основна ідея дослідження полягає в перетворенні класичної випадковості на квантову за допомогою явища квантового хаосу, що дозволяє досягти ефекту додавання кубітів без фізичного збільшення їх кількості. Цей підхід потенційно вирішує одну з ключових проблем у розробці квантових комп’ютерів.
Квантова випадковість і квантовий хаос
Для розуміння важливості цього дослідження необхідно розрізняти поняття квантової випадковості та квантового хаосу. Квантова випадковість характеризується повною відсутністю закономірностей і передбачуваності. У системі з істинною квантовою випадковістю неможливо передбачити властивості квантового об’єкта навіть за наявності попередньої взаємодії з ним.
На відміну від квантової випадковості, класична випадковість легше створюється та моделюється. Класична випадковість широко використовується в різних галузях, від криптографії до моделювання складних процесів. Проте для деяких квантових алгоритмів та операцій необхідна саме квантова випадковість, яка має унікальні властивості.
Квантовий хаос, у свою чергу, описує системи, надзвичайно чутливі до початкових умов. Навіть мінімальні зміни у вхідних параметрах можуть призвести до кардинально різних результатів. Хаотичні системи демонструють складну, але потенційно передбачувану поведінку, якщо відомі всі початкові умови з абсолютною точністю, що практично неможливо.
“Вони знайшли дуже ефективний спосіб перетворення класичної випадковості, яку ми добре розуміємо і яку дуже легко згенерувати, у квантову випадковість, яку важко зрозуміти і яку набагато важче згенерувати”, — зазначає Пітер Клайс з Інституту фізики складних систем Макса Планка в Німеччині, оцінюючи значущість дослідження.
Методологія та результати дослідження
Дослідники змоделювали хаотичну систему, що складалася з багатьох кубітів, для вивчення процесу перетворення класичної випадковості в квантову. В їхній експериментальній установці вимірювання на одних кубітах впливали на інші, переводячи їх у випадкові квантові стани. Науковці кількісно оцінювали рівень квантової випадковості в кінцевому стані системи.
Команда провела множинні симуляції, щоб визначити оптимальні початкові умови для досягнення максимальної квантової випадковості після перебування системи в стані квантового хаосу. Несподівано для самих дослідників, найкращим вибором виявилося надання початковому стану кубітів більшої класичної випадковості.
Найвражаючим результатом стало виявлення еквівалентності: кожна одиниця класичної випадковості, введена в систему, перетворювалася на таку ж кількість квантової випадковості, як якби до системи додали ще один кубіт. Таким чином, використання квантового хаосу фактично дозволяє “віртуально” збільшувати кількість кубітів у системі.
Вай-Кеонг Мок зазначає, що це відкриття стало справжньою несподіванкою для дослідницької групи: “Ми знайшли своєрідний короткий шлях”. Запропонований метод потенційно дозволяє подолати одне з ключових обмежень розвитку квантових комп’ютерів — складність створення великої кількості стабільних кубітів.
Практичне застосування та перспективи
На думку дослідників, результати їхньої роботи можна вже зараз перевірити експериментально. Мок зазначає, що певні експерименти з ультрахолодними атомами раніше створювали хаотичні системи, подібні до тієї, яку вивчала його команда. Це надає можливість для практичної верифікації теоретичних висновків.
Наступним кроком має стати використання подібних експериментів для підтвердження практичної користі поєднання класичної випадковості та квантового хаосу. Серед потенційних застосувань — бенчмаркінг здатності атомів функціонувати як кубіти та процес “тіньової томографії”, що використовується для дослідження квантових станів кубітів.
Обидва ці завдання вимагають високого рівня квантової випадковості, яку традиційно було складно забезпечити. Якщо запропонований метод виявиться ефективним на практиці, це може значно прискорити розвиток квантових обчислень та інших квантових технологій.
Впровадження цього підходу також може вплинути на дизайн квантових процесорів. Замість зосередження виключно на збільшенні кількості кубітів, розробники зможуть приділити більше уваги архітектурі, що сприяє створенню контрольованого квантового хаосу для підвищення ефективності обчислень.
Дослідження відкриває новий напрямок у розвитку квантових технологій, пропонуючи альтернативний шлях до підвищення їхньої потужності. Замість традиційного збільшення фізичної кількості кубітів, що стикається з численними технічними викликами, можна використовувати квантовий хаос для досягнення аналогічного ефекту. Це може значно прискорити розвиток практичних квантових комп’ютерів та наблизити момент їхнього широкого застосування в науці та промисловості.
#квантовий #хаос #посилює #обчислення #без #кубітів
Source link
