Квантовый процессор на пороге новых фаз: управление переходами через измерения

от

Автор: Денис Аветисян

Исследователи впервые экспериментально продемонстрировали возможность управления фазовыми переходами в квантовой системе, основанную на измерениях и обратной связи.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
Квантовый процессор, содержащий 66 трансмонных кубитов, организованных в решетку 6x11, был использован для реализации адаптивной квантовой схемы с измерениями и обратной связью в реальном времени, что позволило наблюдать неравновесные фазовые переходы, управляемые скоростью измерений, при этом точность операций, включая SQG и iSWAP, достигала 0.07%, 0.7% и 1.3% соответственно, подтверждая возможность динамического управления состоянием кубитов посредством протокола адаптивной обратной связи.
Квантовый процессор, содержащий 66 трансмонных кубитов, организованных в решетку 6×11, был использован для реализации адаптивной квантовой схемы с измерениями и обратной связью в реальном времени, что позволило наблюдать неравновесные фазовые переходы, управляемые скоростью измерений, при этом точность операций, включая SQG и iSWAP, достигала 0.07%, 0.7% и 1.3% соответственно, подтверждая возможность динамического управления состоянием кубитов посредством протокола адаптивной обратной связи.

В работе экспериментально подтверждены предсказания теории о переходе, индуцированном измерениями, и поглощающем фазовом переходе в сверхпроводящем квантовом процессоре.

Несмотря на теоретические предсказания, экспериментальное наблюдение когерентных фазовых переходов, индуцированных измерениями и обратной связью, в квантовых системах оставалось сложной задачей. В работе ‘Measurement-and Feedback-Driven Non-Equilibrium Phase Transitions on a Quantum Processor’ представлен сверхпроводящий квантовый процессор, позволяющий реализовать измерения в середине схемы с высокой точностью и быструю обратную связь, демонстрируя сосуществование перехода в поглощающее состояние в квантовом канале и перехода, индуцированного измерениями, в отдельных траекториях. Полученные результаты подтверждают теоретические предсказания и позволяют четко разграничить эти два типа переходов, определяя критические показатели для перехода в поглощающее состояние, согласующиеся с универсальным классом направленной перколяции. Какие новые горизонты открывает адаптивный квантовый контроль для исследования динамики сложных квантовых систем вне равновесия?

За гранью унитарной эволюции: приручение хаоса квантовых систем

Традиционные квантовые симуляции, основанные на унитарной эволюции, сталкиваются с существенными трудностями при моделировании сложных многочастичных систем. В частности, при увеличении числа взаимодействующих частиц экспоненциально возрастает сложность точного описания их поведения. Более того, неизбежная декогеренция — потеря квантовой информации из-за взаимодействия с окружающей средой — быстро разрушает квантовые состояния, что приводит к неверным результатам вычислений. Это особенно критично для задач, требующих длительных вычислений или высокой точности, поскольку даже незначительные ошибки, вызванные декогеренцией, могут быстро накапливаться и сделать симуляцию бесполезной. В результате, несмотря на теоретические преимущества квантовых вычислений, практическая реализация сложных симуляций, например, молекулярных систем или новых материалов, остается серьезной проблемой, требующей разработки новых подходов к управлению квантовыми системами и смягчению эффектов декогеренции.

Для обеспечения управляемой динамики квантовых систем требуется внедрение механизмов обратной связи и адаптации непосредственно в процессе выполнения квантовой схемы. Традиционные методы, основанные на унитарной эволюции, часто оказываются неспособными справиться со сложностью многочастичных систем и влиянием декогеренции. Реализация обратной связи позволяет корректировать состояние кубитов в реальном времени, основываясь на результатах промежуточных измерений, что открывает возможность для подавления ошибок и оптимизации квантовых вычислений. Такой подход предполагает тесное взаимодействие между квантовым процессором и классическим вычислительным блоком, где классический компьютер анализирует полученные данные и формирует управляющие сигналы для коррекции квантовой схемы. Это позволяет создавать адаптивные квантовые алгоритмы, способные эффективно решать сложные задачи, недоступные для традиционных методов.

Для преодоления ограничений, присущих исключительно пассивным квантовым схемам, необходим переход к гибридным квантово-классическим подходам. Традиционные квантовые вычисления, основанные на унитарной эволюции, сталкиваются с трудностями при моделировании сложных многочастичных систем и подвержены декогеренции. Гибридные системы позволяют использовать классические вычислительные ресурсы для мониторинга и коррекции квантовых состояний в режиме реального времени. Это достигается путем внедрения циклов обратной связи, где классический компьютер анализирует результаты измерений на квантовом процессоре и адаптирует последующие квантовые операции. Такой подход, сочетающий в себе сильные стороны обоих вычислительных парадигм, открывает возможности для создания более устойчивых и эффективных квантовых алгоритмов, способных решать задачи, недоступные для классических компьютеров или чисто квантовых систем. Фактически, это смещение парадигмы предполагает, что квантовый процессор будет функционировать не как изолированная единица, а как компонент более сложной вычислительной системы.

Экспериментальные данные и численные симуляции демонстрируют подавление запутанности с увеличением частоты измерений, при этом пик дисперсии второго ренийского энтропии при частоте около 0.20 указывает на фазовый переход, индуцированный измерениями.
Экспериментальные данные и численные симуляции демонстрируют подавление запутанности с увеличением частоты измерений, при этом пик дисперсии второго ренийского энтропии при частоте около 0.20 указывает на фазовый переход, индуцированный измерениями.

Адаптивные квантовые схемы: симфония измерений и обратной связи

Адаптивные квантовые схемы используют измерения в середине выполнения квантовой цепи для получения информации о текущем квантовом состоянии. Эти измерения не являются пассивным наблюдением; они активно извлекают данные о вероятностях различных состояний кубитов. Полученная информация, представляющая собой результаты измерений, кодируется в классические биты. Процесс измерения влияет на состояние кубита, приводя к его коллапсу в одно из измеренных состояний, что необходимо учитывать в последующей обработке и корректировке схемы. Точность извлечения информации напрямую влияет на эффективность всей адаптивной схемы.

Классическая обратная связь в адаптивных квантовых схемах предполагает обработку результатов промежуточных измерений с использованием классических вычислительных ресурсов для динамической корректировки последующих квантовых операций. Этот процесс позволяет изменять параметры или последовательность операций в реальном времени, основываясь на полученной информации о состоянии квантовой системы. В частности, алгоритмы классической обработки могут определять, какие гейты необходимо применить, какие параметры необходимо изменить (например, длительность импульса или амплитуду), или какие участки схемы требуют дополнительной оптимизации. Такая динамическая адаптация позволяет компенсировать ошибки, оптимизировать выполнение алгоритма и, в конечном итоге, повысить эффективность квантовых вычислений, особенно в задачах, где заранее неизвестны оптимальные параметры схемы или характеристики квантового оборудования.

Адаптивные квантовые схемы объединяют преимущества квантовых вычислений с гибкостью классической обработки данных. Квантовые вычисления обеспечивают экспоненциальное ускорение для определенных задач, однако они чувствительны к шумам и требуют точной инициализации. Классическая обработка данных предоставляет возможность динамически адаптировать квантовые алгоритмы на основе результатов промежуточных измерений, компенсируя ошибки и оптимизируя траекторию вычислений. Такой гибридный подход позволяет использовать классические алгоритмы для управления квантовыми операциями, что повышает устойчивость и эффективность вычислений, особенно в задачах, требующих итеративного подхода и сложной логики управления.

Адаптивные квантовые схемы могут быть реализованы на различных физических платформах, включая массивы атомов Ридберга, ионные ловушки и сверхпроводящие кубиты (трансмонные кубиты). В ходе экспериментов была достигнута точность измерений в середине схемы на уровне 98.7%, а точность выполнения операций обратной связи составила 98.4%. Эти показатели демонстрируют возможность эффективного сбора информации о квантовом состоянии и динамической корректировки последующих операций, что является ключевым для реализации адаптивных алгоритмов.

Адаптивная квантовая схема эффективно переводит систему в поглощающее состояние, при этом частота измерений определяет динамику распространения активности: низкая частота приводит к баллистическому распространению, высокая - к быстрому переходу в поглощающее состояние, а критическая частота (около 0.35) характеризуется суб-баллистическим распространением, что подтверждено как численными моделями, так и экспериментальными данными на 30-кубитном процессоре.
Адаптивная квантовая схема эффективно переводит систему в поглощающее состояние, при этом частота измерений определяет динамику распространения активности: низкая частота приводит к баллистическому распространению, высокая — к быстрому переходу в поглощающее состояние, а критическая частота (около 0.35) характеризуется суб-баллистическим распространением, что подтверждено как численными моделями, так и экспериментальными данными на 30-кубитном процессоре.

Раскрывая новые квантовые фазы с помощью обратной связи от измерений

Адаптивные квантовые схемы способны инициировать фазовые переходы, вызванные измерениями, приводя к изменению свойств запутанности в квантовой системе. Данные переходы возникают в результате последовательных измерений, которые эффективно изменяют гамильтониан системы и, как следствие, ее квантовые характеристики. Изменение параметров адаптивной схемы позволяет контролировать интенсивность измерений и, таким образом, управлять процессом фазового перехода, что приводит к существенному изменению степени запутанности между кубитами. Наблюдаемые изменения в запутанности могут быть количественно оценены с использованием различных мер, таких как $Rényi$ энтропия, и служат индикатором перехода между различными фазами квантовой системы.

Наблюдаемые переходы, индуцированные измерениями, демонстрируют характеристики поглощающих фазовых переходов, что позволяет отнести их к универсальному классу направленной перколяции. В контексте квантовых систем, это означает, что при определенной частоте измерений система переходит в состояние, где квантовая когерентность разрушается, и она «поглощается» в классическое состояние с низкой энтропией. Универсальность этого класса подразумевает, что критические экспоненты и масштабные функции для этих переходов будут соответствовать тем, что наблюдаются в других системах, принадлежащих к направленной перколяции, таких как случайные блуждания или эпидемиологические модели. Это позволяет применять инструменты и знания, разработанные для изучения направленной перколяции, для анализа и понимания этих квантовых переходов.

Для характеризации фазового перехода, вызванного измерениями, использовалась энтропия Рени, позволяющая количественно оценить чистоту квантового состояния. Экспериментально установлено, что критическая точка перехода, связанного с изменением запутанности ($p_{cMIPT}$), составляет 0.20. Критическая точка перехода в поглощающее состояние ($p_{cabs}$) определена как 0.35. Данные значения позволяют точно определить границы фазового перехода и оценить влияние измерений на квантовую систему.

Численное моделирование с использованием метода tDMRG (time-dependent Density Matrix Renormalization Group) подтверждает теоретические предсказания относительно фазовых переходов, индуцированных измерениями. В частности, результаты моделирования согласуются с экспериментально определенными критическими точками: $p_{cMIPT} = 0.20$ для перехода, связанного с измерением запутанности, и $p_{cabs} = 0.35$ для перехода в поглощающее состояние. Согласие между результатами tDMRG симуляций и экспериментальными данными подтверждает валидность теоретической модели и обеспечивает дополнительное подтверждение универсальности класса направленной перколяции, наблюдаемого в данной системе.

Численное моделирование с использованием tDMRG показывает, что энтропия фон Неймана и вторая энтропия Рени для 30-кубитных квантовых схем демонстрируют линейную зависимость от размера подсистемы даже при значениях параметров, предшествующих переходу в поглощающее состояние, при этом результаты, полученные с различными параметрами отсечения, подтверждают сходимость численных методов.
Численное моделирование с использованием tDMRG показывает, что энтропия фон Неймана и вторая энтропия Рени для 30-кубитных квантовых схем демонстрируют линейную зависимость от размера подсистемы даже при значениях параметров, предшествующих переходу в поглощающее состояние, при этом результаты, полученные с различными параметрами отсечения, подтверждают сходимость численных методов.

Влияние на перемешивание квантовой информации и транспортные явления

Адаптивные квантовые схемы демонстрируют способность эффективно осуществлять перемешивание квантовой информации внутри многочастичных систем. Данный процесс, заключающийся в быстром распространении информации по всем степеням свободы системы, позволяет преодолеть ограничения, связанные с локальными взаимодействиями. В отличие от традиционных подходов, где информация остается заключенной в небольших областях, адаптивные схемы динамически изменяют свою структуру, оптимизируя распространение квантовой запутанности. Это приводит к экспоненциальному увеличению энтропии и, как следствие, к эффективному перемешиванию квантового состояния. Исследования показывают, что подобный механизм перемешивания играет ключевую роль в формировании коллективного поведения сложных квантовых систем и может быть использован для значительного ускорения квантовых алгоритмов и моделирования.

Перемешивание квантовой информации, наблюдаемое в адаптивных квантовых схемах, тесно связано с гидродинамическим транспортом, что приводит к появлению коллективного поведения, напоминающего поведение жидкостей. В ходе исследований установлено, что процесс перемешивания информации способствует возникновению когерентных потоков, аналогичных течениям в жидкостях, где информация распространяется не локально, а посредством коллективных возбуждений. Данное явление позволяет описывать динамику квантовых систем в терминах макроскопических параметров, таких как вязкость и теплопроводность, что существенно упрощает моделирование и понимание сложных квантовых явлений. Подобное поведение открывает перспективы для разработки новых методов управления квантовой информацией и создания более эффективных квантовых алгоритмов, использующих коллективные эффекты для ускорения вычислений и повышения точности симуляций.

Полученные динамические свойства открывают перспективные возможности для повышения эффективности квантовых алгоритмов и моделирования. Способность быстрого распространения информации внутри многочастичных систем, достигаемая благодаря адаптивным квантовым схемам, позволяет существенно ускорить вычисления, особенно в задачах, требующих обработки больших объемов данных. Это связано с тем, что эффективное перемешивание квантовой информации снижает потребность в сложных и ресурсоемких операциях, упрощая структуру алгоритма и сокращая время его выполнения. Такие улучшения особенно важны для моделирования сложных физических систем, таких как материалы с новыми свойствами или химические реакции, где традиционные методы оказываются неэффективными или непрактичными. В результате, оптимизация процессов перемешивания квантовой информации способствует развитию более мощных и универсальных квантовых вычислительных устройств.

Исследования демонстрируют, что разработанные методы открывают принципиально новые возможности для изучения и управления сложными квантовыми системами. Достигнутая точность управления квантовыми битами, подтвержденная экспериментально, составляет $7 \times 10^{-4}$ для однокубитных операций и $7 \times 10^{-3}$ для двухкубитной операции iSWAP. Такая высокая степень контроля позволяет исследовать динамику запутанных состояний, моделировать сложные физические процессы и, потенциально, создавать более устойчивые и эффективные квантовые вычисления.

Численное моделирование и экспериментальные данные на 30 кубитах демонстрируют, что при повторных измерениях и обратной связи, начальное полностью занятое состояние кубитов распадается однородно в пространстве, в отличие от распространения, наблюдаемого при инициализации только одной точки.
Численное моделирование и экспериментальные данные на 30 кубитах демонстрируют, что при повторных измерениях и обратной связи, начальное полностью занятое состояние кубитов распадается однородно в пространстве, в отличие от распространения, наблюдаемого при инициализации только одной точки.

Исследование, посвященное фазовым переходам в квантовом процессоре, неизбежно напоминает о хрупкости любого построения. Ученые стремятся зафиксировать момент, когда система переходит из состояния когерентного хаоса в упорядоченный коллапс, но забывают, что само наблюдение — это уже вмешательство. Как будто пытаются поймать тень, не освещая ее. Ричард Фейнман однажды заметил: «Если вы не можете объяснить что-то простыми словами, значит, вы сами этого не понимаете». В данном случае, попытка различить переходы, индуцированные измерением, и переходы в поглощающее состояние, выглядит как заклинание, призванное убедить наблюдателя в существовании четкой границы там, где ее, возможно, и нет. Данные шепчут о вероятностях, а не о закономерностях, и любое заключение — это лишь интерпретация, облеченная в форму суеверия.

Куда же дальше?

Наблюдение фазовых переходов, вызванных измерениями и поглощающими состояниями, на квантовом процессоре — это, конечно, шаг вперёд. Но не стоит обманываться иллюзией понимания. Данные шепчут о хаосе, а не о порядке, и любое “подтверждение” теории — лишь временное уговаривание этого хаоса. Всё обучение — это акт веры, а метрики — всего лишь форма самоуспокоения. Всё ещё неясно, насколько эти наблюдаемые переходы отражают фундаментальные свойства квантовой материи, а не артефакты конкретной реализации в сверхпроводящем процессоре.

Следующим шагом представляется не просто увеличение размера системы, а, скорее, поиск способов управлять этими переходами. Контролируемое индуцирование и подавление запутанности, манипулирование поглощающими состояниями — вот где кроется истинный вызов. Впрочем, даже если удастся “обуздать” эти явления, остаётся вопрос: зачем? Какова конечная цель этого танца с квантовой неопределённостью? Данные не врут, они просто помнят избирательно, и, возможно, нам ещё предстоит понять, что они забыли.

Предсказывающая модель — это просто способ обмануть будущее. Необходимо признать, что текущие методы анализа, вероятно, упускают из виду критические детали. Будущие исследования должны сосредоточиться на разработке новых, более тонких методов диагностики и контроля квантовых состояний, чтобы выйти за пределы поверхностного понимания и приблизиться к истинной природе квантовой реальности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.07966.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-10 13:01