Путь к квантовому превосходству

Новое исследование в Письма о физических отзывах (ПРЛ) вводит концепцию псевдомагических квантовых состояний, которые, по-видимому, обладают высокой стабильностью (или сложностью) и могут приблизить нас к достижению квантового превосходства.

Квантовое превосходство или квантовое преимущество — это способность квантовых компьютеров моделировать или выполнять вычисления, которые классические компьютеры не могут (из-за их ограниченных вычислительных возможностей).

Достижение универсальных квантовых вычислений — это способность квантовых компьютеров выполнять любые произвольные квантовые вычисления, и в основе этого лежит квантовое превосходство.

Новый ПРЛ исследование исследует нестабилизирующие состояния или магические состояния. Это квантовые состояния, которые позволяют выполнять квантовые вычисления, которые невозможно эффективно смоделировать на классических компьютерах. Именно эта сложность и дает квантовым компьютерам их потенциальную мощь.

Phys.org поговорил с соавторами статьи Анди Гу, доктором философии. студент Гарвардского университета и доктор Лоренцо Леоне, научный сотрудник Свободного университета в Берлине.

«Отправной точкой для понимания нашего исследования является то, что квантовые вычисления более мощны, чем классические вычисления. В квантовых вычислениях термин «нестабильность» или «магия» относится к мере неклассических ресурсов, которыми обладает квантовое состояние», — объяснил Гу.

Стабилизаторные и нестабилизирующие квантовые состояния

Каждую квантовую систему можно представить как квантовое состояние — математическое уравнение, содержащее всю информацию о системе.

Состояние стабилизатора — это тип квантового состояния, которое можно эффективно смоделировать (или выполнить) на классическом компьютере.

«Эти состояния — вместе с ограниченным набором квантовых операций, называемых операциями стабилизатора, — образуют классически моделируемую структуру. Однако одних только стабилизирующих состояний и операций недостаточно для достижения универсальных квантовых вычислений», — объяснил доктор Леоне.

Для выполнения действительно квантовых вычислений, выходящих за рамки классических возможностей, необходимы нестабилизирующие состояния. Эти состояния могут позволить квантовым компьютерам выполнять задачи, невыполнимые для классических компьютеров. Однако одной из главных задач является создание этих волшебных состояний.

Нестабилизирующие состояния по своей сути сложно построить, поскольку они требуют более сложных квантовых операций.

«В этом контексте нестабильность лучше всего рассматривать как ресурс, поскольку она необходима для достижения квантового преимущества. Чем большей нестабильностью обладает квантовое состояние, тем более мощным оно является как ресурс для квантовых вычислений», — объяснил Гу.

Псевдомагические состояния

Исследователи нашли способ обойти эту проблему, введя концепцию псевдомагических квантовых состояний.

Псевдомагические квантовые состояния, по-видимому, обладают свойствами нестабилизирующих состояний (сложность и неклассические операции), но в вычислительном отношении неотличимы от случайных квантовых состояний, по крайней мере, для наблюдателя с ограниченными вычислительными ресурсами.

Проще говоря, это означает, что псевдомагические квантовые состояния выглядят как магические состояния, но их гораздо проще построить. Особенно для тех, у кого не очень мощный компьютер, псевдомагические квантовые состояния неотличимы от случайных квантовых состояний.

«Эта неотличимость возникает из-за того, что эффективное различение псевдомагических состояний и истинно магических состояний потребует экспоненциального количества вычислительных ресурсов, что делает это невозможным для любого реалистического наблюдателя», — сказал доктор Леоне.

Гу добавил: «Подобно тому, как генераторы псевдослучайных чисел создают последовательности, которые кажутся случайными классическим наблюдателям с ограниченными вычислительными возможностями, псевдомагические состояния созданы так, чтобы казаться сильно нестабилизирующими для квантовых наблюдателей с ограниченными вычислительными возможностями».

Закладываем фундамент

В ходе шести теорем исследователи изложили теоретическую основу псевдомагических состояний, а также их значение для приложений квантовых вычислений.

Они сконструировали псевдомагические состояния таким образом, чтобы разрыв между их фактической и кажущейся нестабилизацией был настраиваемым.

«Это означает, что мы можем создавать состояния, которые могут показаться мощными ресурсами для квантовых вычислений, даже если они не так ресурсоемки, как кажутся», — объяснил доктор Леоне.

Ядро этой концепции вращалось вокруг концепции стабилизатора энтропии. Это мера нестабилизируемости (или сложности) квантовой системы.

Уникальность энтропии стабилизатора заключается в том, что, в отличие от других измерений нестабилизируемости, она требует меньше вычислительных затрат.

Последствия для приложений квантовых вычислений

Исследователи сосредоточились на трех областях, где псевдомагические состояния могут иметь значение, начиная с квантовой криптографии.

Согласно исследованию, псевдомагические состояния представляют новый протокол квантовой криптографии, основанный на парах EFI (или эффективно подготавливаемых, статистически далеких, но вычислительно неразличимых).

Эти пары могут повысить безопасность передачи данных и могут быть созданы с использованием псевдомагических состояний.

Исследователи также показывают, что псевдомагические состояния могут дать новое понимание квантового хаоса и скремблирования, которые важны для понимания поведения сложных квантовых систем и распространения квантовой информации.

«Демонстрируя, что кажущаяся магия квантового состояния может отличаться от его реальной магии, наша работа подчеркивает необходимость учитывать ограничения реалистичных, ограниченных в вычислительных способностях наблюдателей при изучении квантовых систем и их приложений», — объяснил Гу.

Наконец, они также демонстрируют, что псевдомагические состояния можно использовать для создания более эффективных отказоустойчивых квантовых компьютеров с помощью процесса, называемого дистилляцией магического состояния.

Дистилляция магических состояний — это, по сути, процесс очистки, который повышает точность магических состояний, делая их более подходящими для использования в квантовых алгоритмах и схемах исправления ошибок.

В будущем исследователи хотят изучить взаимосвязь между псевдомагическими состояниями и концепциями квантовой теории информации. Кроме того, они хотят изучить экспериментальную реализацию псевдомагических состояний с помощью существующих и будущих квантовых устройств.

«Это может привести к разработке практических приложений, использующих уникальные свойства этих состояний», — заключил доктор Леоне.

© 2024 Сеть Science X