Μπορείτε να εμπιστευτείτε τον κβαντικό σας προσομοιωτή;

Η παράξενη φύση της κβαντικής φυσικής

Στην κλίμακα των ατομικών σωματιδίων, η φυσική αποκτά μια παράξενη και συχνά απρόβλεπτη συμπεριφορά. Οι ερευνητές εργάζονται εντατικά για να αποκαλύψουν, να αξιοποιήσουν και να ελέγξουν αυτά τα παράξενα κβαντικά φαινόμενα μέσω των κβαντικών αναλογικών προσομοιωτών. Αυτές οι εργαστηριακές πειραματικές διατάξεις περιλαμβάνουν την υπερψύξη δεκάδων έως εκατοντάδων ατόμων και την εξέτασή τους με προσεκτικά ρυθμισμένα λέιζερ και μαγνήτες.

Προς μια νέα εποχή υλικών και υπολογιστών

Η ελπίδα των επιστημόνων είναι ότι η νέα γνώση που θα αποκτηθεί από τους κβαντικούς προσομοιωτές θα παρέχει σχέδια για την ανάπτυξη νέων εξωτικών υλικών, πιο έξυπνων και αποδοτικών ηλεκτρονικών, καθώς και πρακτικών κβαντικών υπολογιστών. Ωστόσο, για να αξιοποιήσουν τα δεδομένα από τους κβαντικούς προσομοιωτές, οι επιστήμονες πρέπει πρώτα να τους εμπιστευτούν.

Η σημασία της υψηλής πιστότητας

Η εμπιστοσύνη αυτή βασίζεται στην ικανότητα του κβαντικού συστήματος να έχει “υψηλή πιστότητα” και να αντικατοπτρίζει με ακρίβεια την κβαντική συμπεριφορά. Για παράδειγμα, αν ένα σύστημα ατόμων επηρεάζεται εύκολα από εξωτερικό θόρυβο, οι ερευνητές μπορεί να υποθέσουν την ύπαρξη κβαντικού φαινομένου εκεί όπου δεν υπάρχει. Μέχρι πρόσφατα, δεν υπήρχε αξιόπιστος τρόπος για να χαρακτηρίσουμε την πιστότητα των κβαντικών αναλογικών προσομοιωτών.

Μια νέα κβαντική ανακάλυψη

Σε μια μελέτη που δημοσιεύεται σήμερα στο Nature, φυσικοί από το MIT και το Caltech αναφέρουν ένα νέο κβαντικό φαινόμενο: ανακάλυψαν ότι υπάρχει μια συγκεκριμένη τυχαιότητα στις κβαντικές διακυμάνσεις των ατόμων και ότι αυτή η τυχαία συμπεριφορά εμφανίζει ένα καθολικό, προβλέψιμο πρότυπο. Η συμπεριφορά που είναι ταυτόχρονα τυχαία και προβλέψιμη μπορεί να ακούγεται σαν αντίφαση. Ωστόσο, η ομάδα επιβεβαίωσε ότι ορισμένες τυχαίες διακυμάνσεις μπορούν πράγματι να ακολουθήσουν ένα προβλέψιμο, στατιστικό πρότυπο.

Χρήση της κβαντικής τυχαιότητας

Επιπλέον, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτήν την κβαντική τυχαιότητα ως εργαλείο για να χαρακτηρίσουν την πιστότητα ενός κβαντικού αναλογικού προσομοιωτή. Δείχνοντας μέσω θεωρίας και πειραμάτων ότι μπορούν να καθορίσουν την ακρίβεια ενός κβαντικού προσομοιωτή αναλύοντας τις τυχαίες διακυμάνσεις του.

Νέο πρωτόκολλο αξιολόγησης

Η ομάδα ανέπτυξε ένα νέο πρωτόκολλο αξιολόγησης που μπορεί να εφαρμοστεί στους υπάρχοντες κβαντικούς αναλογικούς προσομοιωτές για να μετρήσει την πιστότητά τους βάσει του προτύπου των κβαντικών διακυμάνσεων. Το πρωτόκολλο αυτό θα μπορούσε να επιταχύνει την ανάπτυξη νέων εξωτικών υλικών και συστημάτων κβαντικών υπολογιστών.

Η δύναμη της τυχαιότητας

Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, Soonwon Choi, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο MIT, αναφέρει: “Αυτή η εργασία θα επιτρέψει τον χαρακτηρισμό πολλών υπαρχόντων κβαντικών συσκευών με πολύ υψηλή ακρίβεια. Προτείνει επίσης ότι υπάρχουν βαθύτερες θεωρητικές δομές πίσω από την τυχαιότητα στα χαοτικά κβαντικά συστήματα από ό,τι είχαμε σκεφτεί μέχρι τώρα.”

Η κβαντική υπεροχή της Google

Η νέα μελέτη εμπνεύστηκε από μια πρόοδο το 2019 από την Google, όπου οι ερευνητές κατασκεύασαν έναν ψηφιακό κβαντικό υπολογιστή, γνωστό ως “Sycamore”, που μπορούσε να εκτελέσει μια συγκεκριμένη υπολογιστική διαδικασία πιο γρήγορα από έναν κλασικό υπολογιστή.

Αξιολόγηση της πιστότητας

Η Google κατάφερε επίσης να ποσοτικοποιήσει την πιστότητα του συστήματος. Με το να αλλάζουν τυχαία την κατάσταση των μεμονωμένων qubits και να συγκρίνουν τις προκύπτουσες καταστάσεις όλων των 53 qubits με τις προβλέψεις των αρχών της κβαντικής μηχανικής, μπόρεσαν να μετρήσουν την ακρίβεια του συστήματος.

Προκλήσεις και λύσεις

Ο Choi και οι συνάδελφοί του αναρωτήθηκαν αν θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μια παρόμοια, τυχαία προσέγγιση για να αξιολογήσουν την πιστότητα των κβαντικών αναλογικών προσομοιωτών. Όμως υπήρχε ένα εμπόδιο που έπρεπε να ξεπεράσουν: σε αντίθεση με το ψηφιακό κβαντικό σύστημα της Google, τα μεμονωμένα άτομα και άλλα qubits στους αναλογικούς προσομοιωτές είναι εξαιρετικά δύσκολο να χειριστούν και συνεπώς να ελεγχθούν τυχαία.

Φυσική εξέλιξη

Μέσω κάποιου θεωρητικού μοντελοποίησης, ο Choi συνειδητοποίησε ότι το συλλογικό αποτέλεσμα της μεμονωμένης χειραγώγησης των qubits στο σύστημα της Google θα μπορούσε να αναπαραχθεί σε έναν αναλογικό κβαντικό προσομοιωτή απλώς αφήνοντας τα qubits να εξελιχθούν φυσικά.

Η φυσική δυναμική των προσομοιωτών

“Καταλάβαμε ότι δεν χρειάζεται να κατασκευάσουμε αυτήν την τυχαία συμπεριφορά,” λέει ο Choi. “Χωρίς λεπτομερή ρύθμιση, μπορούμε απλώς να αφήσουμε τη φυσική δυναμική των κβαντικών προσομοιωτών να εξελιχθεί, και το αποτέλεσμα θα οδηγήσει σε ένα παρόμοιο πρότυπο τυχαιότητας λόγω του χάους.”

Πώς να εμπιστευτείτε έναν προσομοιωτή

Ως ένα εξαιρετικά απλοποιημένο παράδειγμα, φανταστείτε ένα σύστημα πέντε qubits. Κάθε qubit μπορεί να υπάρχει ταυτόχρονα ως 0 ή 1, μέχρι να γίνει μια μέτρηση, οπότε τα qubits καθορίζονται σε μία από τις δύο καταστάσεις. Με οποιαδήποτε μέτρηση, τα qubits μπορούν να πάρουν μία από τις 32 διαφορετικές συνδυαστικές καταστάσεις: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1,