Кристалл времени позволил увеличить производительность "идеальной" квантовой системы на 28 кубитов

Кристаллы времени могут быть использованы для стабилизации хрупких суперпозиционных состояний квантовых компьютеров, что в один прекрасный день может дать им преимущество перед традиционными вычислительными системами.

Ученые считают, что квантовые компьютеры можно сделать более стабильными с помощью кристаллов времени. John D/ Getty Images

Когда в 2012 году нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек впервые выдвинул теорию о существовании кристаллов времени, эта идея вызвала массу споров, поскольку их отличительной особенностью является способность постоянно переключаться между двумя состояниями без каких-либо затрат энергии - что, казалось бы, противоречит законам физики. Однако с тех пор несколько исследовательских групп сумели построить кристаллы времени в лабораторных условиях, в том числе внутри квантового компьютера.

Бяо Хуанг из Университета Китайской академии наук и его коллеги создали своего рода "рычаг управления" для своего квантового компьютера, используя так называемый темпоралный временной кристалл - физическую систему, с нарушенной симметрией относительно сдвига во времени. Это от части напоминает процесс кристаллизации, когда атомы в трехмерном пространстве выстраиваются в жесткую кристаллическую решетку (например, атомы хлора и натрия в кристаллах поваренной соли).

Создание физической системы, называемой временным кристаллом, помогло исследователям стабилизировать  хрупкое суперпозиционном состоянии внутри квантового компьютера

Кубиты в новом квантовом компьютере сделаны из крошечных схем, которые хорошо проводят электричество и могут управляться с помощью микроволн. В отличие от обычных компьютеров, где биты имеют значение 1 или 0, в данном случае квантовые состояния позволяют кубитам одновременно быть равными 1 и 0. Хуанг говорит, что это немного похоже на известный мысленный эксперимент с котом Шредингера, который одновременно находится в состоянии "мертв" и "жив", прежде чем его статус подтвердится.

Почему квантовая вселенная - штука гораздо более странная, чем вы думаете

Исследователям удалось перевести кубиты в особое состояние, называемое состоянием Гринбергера-Хорна-Цейлингера (состояние ГХЦ), в котором все они неразрывно связаны друг с другом посредством квантовой запутанности.

Возможность создавать очень большие ГХЦ-состояния - то есть состоящие из множества кубитов - расширила бы границы понимания физиками того, почему квантовые эффекты уменьшаются для все более крупных объектов. "Это было бы очень полезно, потому что многочастичная квантовая запутанность - необходимый ингредиент для многих приложений квантовых вычислений и обмена данными", - говорит Хуанг.

Однако прошлые эксперименты показали, что чем больше кубитов составляют ГХЦ-состояние, тем более хрупким оно становится - то есть его особые свойства в квантовой системе могут быть с легкостью разрушены даже небольшими возмущениями.

Исследователи нашли способ свести к минимуму возмущения в своем устройстве, что позволило создать рекордно большое ГХЦ-состояние, включающее 60 кубитов. Это на 28 кубитов больше, чем самое "идеальное" состояние так называемой кошки Шредингера. Но чтобы заставить подобное состояние существовать дольше, они решили использовать кристалл в дискретном времени.

Эксперты воздействовали на кубиты определенной последовательностью микроволн, каждая из которых изменяла состояние кубитов или заставляла их взаимодействовать. Микроволновые импульсы "помещали" кубиты в нужные состояния, так что их квантовые свойства осциллировали во времени и образовывали временной кристалл.

Вдохновившись экспериментом с кошкой Шредингера, исследователи стабилизировали хрупкое суперпозиционном состояние, создав внутри квантового компьютера так называемый кристалл времени.

"Мы использовали структуру кристалла в дискретном времени, чтобы построить "безопасный дом" для защиты хрупких ГХЦ-состояний", - говорит Хуанг. "Насколько нам известно, это первое практическое применение дискретного временного кристалла. Наша работа говорит о том, что временные кристаллы не только концептуально интересны, но и имеют практическую ценность".

Сложные последовательности микроволновых импульсов, используемые командой, вносили некоторые погрешности, поэтому в эксперименте с помещением состояния ГХЦ в кристалл времени было задействовано уже не 60, а 36 кубитов. Тем не менее, по словам Хуанга, состояние оказалось менее хрупким, чем в предыдущих опытах.

По словам Франциско Мачадо из Гарвардского университета, колебания временного кристалла способны отсеять возмущения, которые в обычных условиях привели бы к разрушению одной из трех подсистем ГХЦ-состояния. Временные кристаллы и раньше использовались в квантовых компьютерах, но теперь исследователи использовали новый процесс конструирования, чтобы сделать их более пригодными для стабилизации ГХЦ-состояния, считает ученый.

"Эта экспериментальная работа очень впечатляет и демонстрирует большой научно-технический прогресс", - говорит Марио Кренн рукводитель исследовательской группы лаборатории искусственного интеллекта в Институте физики света общества Макса Планка (Германия).

Несмотря на санкции Вашингтона, Пекин построил на западном оборудовании квантовый компьютер "Сунь Укун"

Аннотация к научной статье 

Квантовый компьютер "Кошка Шредингера" достиг 60 кубитов в кристалле дискретного времени

Состояние Гринбергера-Хорна-Цейлингера (ГХЦ), являясь максимально запутанным состоянием "кота Шредингера", играет важную роль в основах квантовой механики и технологий. Однако создание и сохранение этих столь хрупких систем сопряжено с огромными проблемами. Кристаллы в дискретном времени (КДВ), изначально созданные для изучения экзотических неравновесных квантовых явлений, вызвали большой научный интерес. Но вот вопрос: сможет ли эта казалось бы гениальная концепция привести к практическому применению.

В рамках нового эксперимента ученые предлагают эффективный алгоритм, способный работать с двумерными квантовыми процессорами. Используя последовательность высокоточных квантовых затворов, авторам эксперимента удалось достичь подлинной GHZ запутанности в промежуточном масштабе с использованием до 60 сверхпроводящих кубитов.

Что еще более важно, применив детерминированный алгоритм парных состояний "кошки Шредингера" в качестве квантовых шрамов, ученым удалось по-новому взглянуть на КДВ. В итоге это позволило защитить ГХЦ-состояния от общих возмущений и обеспечить динамическое переключение в процессе их эволюции.Эксперты нашли способ минимизировать возмущения в своей системе, что позволило им достичь рекордно большого ГХЦ-состояния в 60 кубитов. Это на 28 кубитов больше, чем самое "идеальное" состояние так называемой "кошки Шредингера".

Полученные результаты позволяют не только напрямую использовать кристаллы в дискретном времени, но и превращают инженерные системы многих тел - далеких от равновесия - в универсальную платформу для защиты и контроля хрупкой, но очень любопытной квантовой запутанности.