Фізики вперше підтвердили глибоку квантову поведінку у масштабних системах
Чи можна з упевненістю сказати, що велика квантова система дійсно підкоряється законам квантової механіки, а не лише імітує їх? Це питання довгий час залишалося відкритим, і тепер міжнародна група фізиків із Лейдена, Пекіна та Ханчжоу запропонувала переконливу відповідь.
У центрі їхніх досліджень — перевірка, яку можна назвати своєрідним «квантовим детектором брехні». Йдеться про тест Белла, розроблений Джоном Беллом, що дозволяє виявити, чи справді система — наприклад, квантовий комп’ютер — використовує квантові ефекти, а не просто відтворює їхню видимість.
Із розвитком квантових технологій зростає потреба у методах, здатних беззаперечно підтвердити справжню квантову природу пристроїв. У новій роботі дослідники вперше перевірили беллівські кореляції у системах із рекордними масштабами — до 73 кубітів, які є базовими елементами квантового процесора.
Проєкт об’єднав теоретиків Йорді Туру, Патріка Емонтса та аспірантку Мен’яо Ху з Лейденського університету, науковців із Цінхуа в Пекіні та експериментальну групу з Чжецзянського університету в Ханчжоу. Замість прямого вимірювання складних беллівських кореляцій, команда зосередилася на завданні, яке сучасні квантові пристрої виконують особливо добре, — мінімізації енергії.
Цей підхід виявився надзвичайно результативним. Використовуючи 73 кубіти на надпровідному квантовому процесорі, фізики створили унікальний квантовий стан і зафіксували енергетичні рівні, які виявилися суттєво нижчими, ніж будь-які можливі для класичних систем. Різниця склала 48 стандартних відхилень, що практично виключає випадковий збіг.
Але дослідники пішли ще далі. Вони змогли засвідчити існування рідкісного та складного виду некласичної поведінки — справжніх багаточастинкових беллівських кореляцій, де у взаємодії беруть участь абсолютно всі кубіти системи. Підготувавши серію низькоенергетичних станів, команда успішно перевірила ці кореляції для систем до 24 кубітів, що є значним досягненням з огляду на складність такого експерименту.
Отримані результати демонструють, що квантові комп’ютери не лише збільшуються у масштабі, а й удосконалюють здатність проявляти й доводити справжню квантову поведінку. Це перший випадок, коли настільки великі та складні системи пройшли настільки строгі перевірки, відкриваючи шлях до створення більш надійних і потужних квантових технологій.
Значення цього прориву виходить за межі академічної цікавості. Краще розуміння та контроль беллівських кореляцій можуть суттєво посилити захист квантової криптографії, вдосконалити квантовий зв’язок і надихнути на створення нових алгоритмів. І головне — тепер у науковців є інструмент, щоб беззаперечно відрізнити справжню квантову машину від імітації, що робить наступний етап еволюції квантових комп’ютерів ще ближчим.