Насколько квантов ваш квантовый компьютер?

Автор: Денис Аветисян

Новый метод тестирования позволяет оценить степень квантовости вычислений, используя измерения чётности в середине квантовой схемы.

🧐

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

В статье предложен масштабируемый подход к квантовой бенчмаркингу, основанный на проверке нарушений макрореализма с помощью измерений чётности.

По мере увеличения числа кубитов в квантовых компьютерах, оценка их истинно квантового поведения становится все более сложной задачей. В работе под названием ‘How «Quantum» is your Quantum Computer? Macrorealism-based Benchmarking via Mid-Circuit Parity Measurements’ предложен новый метод, основанный на проверке нарушения макрореализма с использованием измерений четности. Показано, что предложенная метрика позволяет количественно оценить квантовость системы, выявляя переход от квантового поведения к классическому при увеличении числа кубитов. Сможет ли данный подход стать основой для разработки надежных и масштабируемых критериев оценки производительности квантовых компьютеров нового поколения?

Предел Классического Реализма: Квантовая Неопределённость

Фундаментальный принцип макрореализма, утверждающий, что системы обладают определенными свойствами независимо от процесса измерения, всё чаще подвергается сомнению в свете достижений квантовой механики. Традиционно считалось, что объекты обладают четко определенными характеристиками, даже если они не наблюдаются. Однако квантовая физика демонстрирует, что на субатомном уровне свойства частиц могут быть вероятностными и проявляться только в момент измерения. Это ставит под вопрос саму идею объективной реальности, независимой от наблюдателя, и вынуждает пересматривать базовые предпосылки о природе материального мира. Эксперименты, направленные на исследование квантовой запутанности и принципа неопределенности Гейзенберга, показывают, что акт измерения не просто раскрывает существующее свойство, но и активно влияет на состояние системы, что противоречит классическому представлению о пассивном наблюдении.

Традиционные представления о реальности сталкиваются с серьезными трудностями при попытке согласовать кажущуюся объективность макромира с фундаментальной неопределенностью, присущей квантовому уровню. В классической физике, свойства объекта существуют независимо от наблюдателя и измерения, однако квантовая механика постулирует, что некоторые свойства определяются лишь в момент измерения, а до этого описываются вероятностными функциями. Этот разрыв между детерминированным макромиром и вероятностным микромиром порождает концептуальные противоречия. Попытки применить классические принципы к квантовым системам часто приводят к парадоксам, таким как кошка Шрёдингера, демонстрируя, что интуитивные представления об объективной реальности могут быть неприменимы в масштабах, где доминируют квантовые эффекты. В результате, возникает необходимость переосмысления самой концепции реальности и поиска новых интерпретаций, способных примирить кажущиеся противоречия между классическим и квантовым описаниями мира.

Исследование условия отсутствия возмущения является ключевым в понимании фундаментальной природы квантовых измерений. Суть этого условия заключается в том, что измерение должно фиксировать свойство системы, не изменяя при этом её состояние. Проверка этого принципа позволяет установить, действительно ли процесс наблюдения влияет на наблюдаемый объект на квантовом уровне. Эксперименты, направленные на проверку этого условия, используют сложные методы, чтобы отделить эффект измерения от естественной эволюции системы. Полученные результаты могут подтвердить или опровергнуть классическое представление об объективности реальности, предлагая альтернативные взгляды на взаимосвязь между наблюдателем и наблюдаемым, и, в конечном итоге, раскрывая границы применимости классической физики к микромиру. Нарушение этого условия, если оно будет обнаружено, может потребовать пересмотра базовых принципов квантовой механики и привести к новым теоретическим разработкам.

Чётность как Инструмент Проверки Условия Отсутствия Возмущения

Протокол проверки условия отсутствия возмущения на основе чётности (Parity NDC Protocol) представляет собой эффективный метод тестирования принципа отсутствия возмущения, основанный на измерении чётности квантовых состояний. Вместо полного измерения, которое коллапсирует состояние кубита, измерение чётности определяет, является ли суперпозиция состояний чётной или нечётной, что позволяет выявлять любые нежелательные возмущения, не разрушая квантовую информацию. Данный подход обеспечивает повышенную чувствительность к нарушениям условия отсутствия возмущения и позволяет проводить более точные тесты, необходимые для валидации и калибровки квантовых вычислений.

Измерение чётности определяет, является ли состояние кубита чётным или нечётным, что позволяет обнаруживать возмущения без полного коллапса квантового состояния. В отличие от стандартных измерений, которые проецируют кубит в определенное базисное состояние $ |0⟩ $ или $ |1⟩ $, измерение чётности оперирует с паритетом суперпозиции. Оно основано на проверке, является ли произведение собственных значений кубитов в суперпозиции чётным или нечётным. Этот метод позволяет выявлять даже незначительные отклонения от идеального состояния без разрушения квантовой информации, что делает его ценным инструментом для верификации работы квантовых устройств и тестирования фундаментальных принципов квантовой механики.

Протоколы измерения чётности в настоящее время реализуются на передовых квантовых компьютерах, включая IBM Marrakesh и IBM Brisbane, для достижения необходимой точности получения значимых результатов. Данные реализации демонстрируют трехкратное улучшение квантовости по сравнению с устройствами предыдущего поколения. Это повышение точности позволяет более эффективно проверять условие недеструктивного измерения и оценивать качество квантовых вычислений, а также способствует развитию более надежных и стабильных квантовых систем.

Смягчение Возмущений и Уточнение Методов Бенчмаркинга

Классические помехи представляют собой серьезную проблему при проведении бенчмарков квантовых систем, поскольку нежелательный шум может маскировать истинные квантовые эффекты. Эти помехи, возникающие из-за несовершенства оборудования и взаимодействия с окружающей средой, проявляются как случайные отклонения в результатах измерений, затрудняя точную оценку производительности квантовых алгоритмов. В частности, классические помехи могут искажать результаты, имитируя или скрывая истинную квантовую когерентность и запутанность, что приводит к завышенной оценке ошибок или неверной интерпретации данных. Для получения достоверных результатов бенчмарков необходимо эффективно идентифицировать и минимизировать влияние этих классических помех, используя различные методы смягчения ошибок и повышения стабильности системы.

Метод H расширяет протокол Parity NDC за счет включения техник, направленных на компенсацию запутывающих динамик. Это достигается путем введения дополнительных операций, которые эффективно нейтрализуют нежелательные взаимодействия, возникающие из-за классических помех. Компенсация запутывающей динамики позволяет значительно снизить влияние классических возмущений на результаты бенчмаркинга квантовых систем, повышая точность и надежность получаемых данных. Фактически, метод H позволяет более четко выделить истинные квантовые эффекты, замаскированные ранее шумом.

Метод M (M-Method) усовершенствует подход к смягчению классических помех посредством проведения промежуточного измерения на некоррелированном кубите. Это измерение, выполняемое в середине квантовой схемы, предоставляет дополнительный уровень компенсации, эффективно снижая влияние классических возмущений до уровня статистической погрешности. В отличие от H-Method, который фокусируется на отмене запутывающей динамики, метод M использует информацию, полученную в процессе промежуточного измерения, для активной коррекции ошибок и повышения точности результатов бенчмаркинга квантовых систем. Достижение уровня помех, сравнимого со статистической погрешностью, позволяет более надежно идентифицировать истинные квантовые эффекты и проводить более точные сравнения между различными квантовыми устройствами.

Подтверждение Основ Квантовой Механики и Перспективы Развития

Успешная реализация усовершенствованных протоколов продемонстрировала принципиальную возможность проведения строгих тестов условия отсутствия возмущения на реальном квантовом оборудовании. Данное достижение открывает путь к более глубокому пониманию фундаментальных принципов квантовой механики, позволяя проверять ключевые постулаты непосредственно на физических системах. В отличие от теоретических моделей, эксперименты, использующие реальное квантовое оборудование, подвергают условия отсутствия возмущения проверке в условиях, приближенных к реальным, учитывая неизбежные несовершенства и шумы. Это особенно важно для развития квантовых технологий, поскольку позволяет подтвердить, что манипуляции с кубитами не приводят к нежелательным изменениям в их состоянии, что критически важно для надежных вычислений и передачи информации.

Исследователи разработали масштабируемый протокол для проверки фундаментальных принципов квантовой механики, успешно нарушив принцип макрореализма с использованием до 38 кубитов. Данный протокол позволил провести эксперимент, в котором квантовые корреляции наблюдались в системе из столь большого числа кубитов, что значительно превышает возможности предыдущих исследований. Нарушение макрореализма, принципа, предполагающего существование определенных свойств у объектов независимо от наблюдения, подтверждает неклассическую природу квантового мира и укрепляет основы квантовой механики. Масштабируемость протокола открывает путь к проверке квантовых теорий на все более сложных системах, что потенциально позволит выявить ограничения квантовой механики или подтвердить её универсальность.

Достижение, продемонстрированное на квантовом компьютере IBM ‘Marrakesh’, представляет собой значительный прорыв в экспериментальной проверке основ квантовой механики. Используя до 38 кубитов, исследователи смогли с большей точностью, чем когда-либо прежде, нарушить принципы макрореализма — концепции, предполагающей, что объекты обладают определенными свойствами независимо от измерения. Этот результат не только превосходит предыдущие ограничения по числу кубитов, но и предоставляет более веские доказательства в пользу квантовой суперпозиции и запутанности, укрепляя теоретические основания, на которых построена вся квантовая физика. Полученные данные подтверждают, что квантовые системы ведут себя принципиально иначе, чем классические, и подчеркивают важность дальнейшего изучения этих явлений для развития квантовых технологий.

Совершенствование представленных методик, в сочетании с прогрессом в технологиях квантовых вычислений, таких как увеличение времени когерентности кубитов и снижение уровня шума, открывает перспективы для проведения еще более точных тестов и получения глубоких знаний о квантовом мире. Увеличение стабильности кубитов позволит исследовать более сложные квантовые системы и проводить эксперименты, требующие длительного поддержания квантовой информации. Снижение уровня шума, в свою очередь, позволит более четко различить квантовые эффекты и исключить влияние внешних факторов, обеспечивая достоверность полученных результатов. Эти усовершенствования, в конечном итоге, способны не только подтвердить фундаментальные принципы квантовой механики, но и открыть новые горизонты для разработки квантовых технологий.

Представленное исследование, фокусирующееся на оценке квантовости вычислительных систем через нарушение макрореализма, подчеркивает стремление к созданию строгого и масштабируемого критерия оценки. Данный подход, использующий измерения чётности в середине вычислений, представляет собой попытку выйти за рамки традиционных метрик, таких как квантовый объем. Как заметил Альберт Эйнштейн: «Самое прекрасное переживание — это ощущение тайны». Именно это ощущение тайны, стремление к фундаментальному пониманию, движет разработчиками в поиске более точных способов определения и измерения истинной квантовости, выходя за рамки простой функциональности и приближаясь к фундаментальным принципам физики.

Что дальше?

Представленная методика, основанная на проверке макрореализма посредством измерений чётности, открывает перспективные пути для оценки квантовых вычислительных машин. Однако, не следует забывать о фундаментальной сложности определения истинной «квантовости». Доказательство нарушения макрореалистических моделей — необходимое, но не достаточное условие для заявления о превосходстве квантовых вычислений. Вопрос о том, действительно ли наблюдаемые отклонения от классической физики отражают глубокие квантовые свойства, или же являются артефактами несовершенства реализации, остается открытым.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на повышение устойчивости и масштабируемости предложенного метода. Критическим аспектом является минимизация влияния шума и декогеренции, которые могут искажать результаты измерений. Кроме того, необходимо разработать более строгие теоретические рамки, позволяющие однозначно интерпретировать полученные данные и отличать истинные квантовые эффекты от классических симуляций. Нельзя довольствоваться лишь эмпирическими наблюдениями — требуется математическая строгость.

В конечном счете, истинный прогресс в области квантовых вычислений заключается не в увеличении количества кубитов, а в углублении понимания природы квантовой реальности. Проверка фундаментальных принципов, таких как макрореализм, — это не просто академическое упражнение, а необходимый шаг на пути к созданию действительно полезных квантовых устройств. Иначе, мы рискуем построить сложные машины, работающие по неизвестным законам.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.15881.pdf

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

Смотрите также:

2025-11-21 15:04