Группа ученых из Университета Мэриленда, Национального института стандартов и технологий (NIST), компании IonQ Inc. и Квантового центра Дьюка достигла значительного прорыва в понимании квантовой механики и информационных технологий. Ученые продемонстрировали новое поведение квантовых состояний под воздействием когерентных ошибок. Открытие связано с понятием «магии» квантовых состояний, которое определяет, насколько данные состояния отклоняются от стабильного состояния. Это свойство имеет решающее значение для создания устойчивых квантовых компьютеров и универсальных квантовых вычислений.

В квантовой механике «магия» квантовых состояний описывает их способность отклоняться от стабилизированных состояний и становится критически важным компонентом для обеспечения устойчивого и производительного квантового компьютера. «Магия» играет роль дополнительного ресурса, позволяющего квантовым компьютерам выполнять задачи, недоступные классическим вычислительным машинам.

В статье, опубликованной в Nature Physics, ученые показали, что случайный стабилизирующий код может претерпевать фазовый переход в отношении магии. Этот переход аналогичен уже известному фазовому переходу в степени запутанности квантовых систем. В данном случае переход обусловлен балансом двух факторов: создания ресурса и его разрушения. В отношении «магии» это факторы количества измерений и вращений кубитов.

Соавтор исследования Прадип Нирула объясняет: «Суперпозиция и запутанность являются привычными терминами в квантовых вычислениях, но их недостаточно, чтобы кардинально превзойти классические компьютеры. Чтобы квантовый компьютер стал действительно мощным, ему нужна нестабилизированность, или «магия». Только с высоким уровнем магии система выходит за пределы возможностей классических компьютеров».

Для проверки гипотезы исследователи сначала провели численные симуляции, которые подтвердили наличие фазового перехода в нестабилизированных квантовых состояниях. Затем они проверили свои теоретические выкладки в экспериментальной среде, применяя реальные квантовые схемы. Результаты продемонстрировали признаки фазового перехода даже при воздействии шумов, что подтверждает устойчивость магических состояний.

Прадип Нирула добавляет: «Ранее уже были обнаружены различные переходы, связанные с запутанностью, распределением зарядов и прочими аспектами. Это открывает вопросы: какие еще ресурсы могут демонстрировать подобные переходы? Являются ли они частью универсального типа фазовых переходов? Также важно понять, как наличие фазового перехода способствует созданию шумоустойчивых квантовых компьютеров».

Это исследование открывает новые возможности для изучения квантовых ресурсов, критически важных для создания квантовых компьютеров, защищенных от ошибок. В будущем ученые планируют сосредоточиться на изучении других свойств и ресурсов, демонстрирующих фазовый переход, подобный тому, что наблюдается для запутанности и магии. Эти исследования помогут лучше понять, какие именно ресурсы способствуют устойчивости квантовых систем к ошибкам.

Исследователи также стремятся изучить потенциал создания так называемой «фабрики магических состояний». Эта платформа могла бы производить нестабилизированные состояния, пригодные для использования в квантовых компьютерах, что значительно расширит их вычислительные возможности и станет важным шагом в развитии технологий.

Прадип Нирула заключает: «Сегодня в области квантовых технологий огромный интерес вызывает создание примитивов для коррекции ошибок. Наше исследование может внести значительный вклад в эту задачу».