Фізика стає дивною в атомному масштабі. Вчені використовують квантові аналогові симулятори – лабораторні експерименти, які включають охолодження багатьох атомів до низьких температур і їх дослідження за допомогою точно відкаліброваних лазерів і магнітів – щоб розкрити, використовувати та контролювати ці незвичайні квантові ефекти. Вчені сподіваються, що будь-яке нове розуміння, отримане завдяки квантовим симуляторам, дасть креслення для розробки нових екзотичних матеріалів, розумнішої та ефективнішої електроніки та практичних квантових комп’ютерів. Але щоб отримати знання від квантових симуляторів, вчені спочатку повинні їм довіряти.

Тобто вони повинні бути впевнені, що їхній квантовий пристрій має «високу точність» і точно відображає квантову поведінку. Наприклад, якщо система атомів легко піддається впливу зовнішнього шуму, дослідники можуть припустити наявність квантового ефекту там, де його немає. Але досі не було надійного способу схарактеризувати точність квантових аналогових симуляторів.

У дослідженні, нещодавно опублікованому в Nature, фізики з Массачусетського технологічного інституту та Каліфорнійського технологічного інституту повідомляють про нове квантове явище: вони виявили, що існує певна випадковість у квантових флуктуаціях атомів і що ця випадкова поведінка демонструє універсальну, передбачувану модель. Поведінка, яка одночасно є випадковою та передбачуваною, може звучати як суперечність. Але команда підтвердила, що певні випадкові коливання справді можуть слідувати передбачуваній статистичній моделі.

Щобільше, дослідники використали цю квантову випадковість як інструмент для характеристики точності квантового аналогового симулятора. За допомогою теорії та експериментів вони показали, що можуть визначити точність квантового симулятора, аналізуючи його випадкові флуктуації.

Команда розробила новий протокол бенчмаркінгу, який можна застосувати до існуючих квантових аналогових симуляторів, щоб оцінити їх точність на основі їх шаблону квантових флуктуацій. Протокол може допомогти прискорити розробку нових екзотичних матеріалів і квантових обчислювальних систем.

«Ця робота дозволить схарактеризувати багато існуючих квантових пристроїв з дуже високою точністю», — каже співавтор дослідження Сунвон Чой, доцент кафедри фізики Массачусетського технологічного інституту. «Це також свідчить про те, що за випадковістю в хаотичних квантових системах стоять більш глибокі теоретичні структури, ніж ми думали раніше».

Серед авторів дослідження — аспірант Массачусетського технологічного інституту Деніел Марк і його співробітники з Каліфорнійського технологічного інституту, Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн, Гарвардського університету та Каліфорнійського університету в Берклі.

Випадкова еволюція

Нове дослідження було мотивовано прогресом Google у 2019 році, коли дослідники створили цифровий квантовий комп’ютер під назвою «Sycamore», який міг виконувати певні обчислення швидше, ніж класичний комп’ютер.

У той час як обчислювальні блоки в класичному комп’ютері є «бітами», які існують як 0 або 1, блоки у квантовому комп’ютері, відомі як «кубіти», можуть існувати в суперпозиції кількох станів. Коли кілька кубітів взаємодіють, вони теоретично можуть запускати спеціальні алгоритми, які розв’язувати складні проблеми за набагато коротший час, ніж будь-які класичні комп’ютери.

Дослідники Google розробили систему надпровідних петель, яка поводитися як 53 кубіти, і показали, що «комп’ютер» може виконати певні обчислення, які зазвичай були б надто складними навіть для найшвидшого суперкомп’ютера у світі.

Google також показав, що може кількісно визначити точність системи. Випадково змінюючи стан окремих кубітів і порівнюючи отримані стани всіх 53 кубітів із тим, що передбачено принципами квантової механіки, вони змогли виміряти точність системи.

Чой та його колеги цікавилися, чи можуть вони використовувати подібний рандомізований підхід для вимірювання точності квантових аналогових симуляторів. Але була одна перешкода, яку їм потрібно було подолати: на відміну від цифрової квантової системи Google, окремими атомами та іншими кубітами в аналогових симуляторах неймовірно важко маніпулювати, а отже, контролювати випадково.

Але за допомогою деякого теоретичного моделювання Чой зрозумів, що колективний ефект індивідуального маніпулювання кубітами в системі Google можна відтворити в аналоговому квантовому симуляторі, просто дозволивши кубітам природним чином розвиватися.

«Ми зрозуміли, що нам не потрібно створювати таку випадкову поведінку», — каже Чой. «Без тонкого налаштування ми можемо просто дозволити природній динаміці квантових симуляторів розвиватися, і результат призведе до подібної моделі випадковості через хаос».

Побудова довіри

Як надзвичайно спрощений приклад, уявіть систему з п’яти кубітів. Кожен кубіт може існувати одночасно як 0 або 1, доки не буде виконано вимірювання, після чого кубіти переходять в один або інший стан. З будь-яким вимірюванням кубіти можуть приймати одну з 32 різних комбінацій: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 і так далі.

«Ці 32 конфігурації відбуватимуться з певним розподілом ймовірностей, який, на думку людей, має бути схожим на прогнози статистичної фізики», — пояснює Чой. «Ми показуємо, що вони збігаються в середньому, але є відхилення та коливання, які виявляють універсальну випадковість, про яку ми не знали. І ця випадковість виглядає, так само як якби ви запустили ті випадкові операції, які робив Google».

Дослідники припустили, що якби вони змогли розробити чисельне моделювання, яке точно представляє динаміку та універсальні випадкові флуктуації квантового симулятора, вони могли б порівняти прогнозовані результати з фактичними результатами симулятора. Чим ближче вони, тим точнішим має бути квантовий симулятор.

Щоб перевірити цю ідею, Чой об’єднався з експериментаторами з Каліфорнійського технологічного інституту, які розробили квантовий аналоговий симулятор, що складається з 25 атомів. Під час експерименту фізики використали лазер для спільного збудження атомів, а потім дозволили кубітам природно взаємодіяти та еволюціонувати з часом. Вони виміряли стан кожного кубіта протягом кількох прогонів, зібравши загалом 10 000 вимірювань.

Чой і його колеги також розробили числову модель для представлення квантової динаміки експерименту та включили рівняння, яке вони вивели, щоб передбачити універсальні випадкові коливання, які повинні виникнути. Потім дослідники порівняли свої експериментальні вимірювання з прогнозованими результатами моделі та спостерігали дуже близьку відповідність — переконливий доказ того, що цьому конкретному симулятору можна довіряти як відображення чисто квантово-механічної поведінки.

У більш широкому сенсі результати демонструють новий спосіб схарактеризувати майже будь-який існуючий квантовий аналоговий симулятор.

«Здатність характеризувати квантові пристрої формує базовий технічний інструмент для побудови все більших, точніших і складніших квантових систем», — каже Чой. «За допомогою нашого інструменту люди можуть знати, чи працюють вони з надійною системою».