Фізики успішно зіграли в «квантову гру» на справжньому квантовому комп’ютері, де лазери переміщують іони на мікросхемі, досліджуючи дивну поведінку кубітів.
Створивши особливу, «зав’язану» структуру заплутаних частинок, команда продемонструвала, що сучасні квантові машини вже здатні перевершити класичні стратегії у певних завданнях — і роблять це з несподівано високою надійністю. Ця гра з високими ставками — не просто розвага, а доказ того, що масштабовані, стійкі до помилок квантові обчислення можуть бути ближчими, ніж ми думаємо.
Гра в шашки з іонами: квантові ігри на мініатюрній решітці
Уявіть гру в шашки в найменшому можливому масштабі — не з пластиковими фішками, а з окремими іонами, які лазери точно переміщують по мікроскопічній сітці. Цей концепт досліджується в новому дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters. Команда теоретичних фізиків з Колорадо розробила новий тип квантової «гри», який можна реалізувати на справжньому квантовому комп’ютері — машині, що використовує частинки на кшталт атомів для складних обчислень.
Дослідники протестували гру на реальному пристрої: квантовому комп’ютері Quantinuum System Model H1, створеному компанією Quantinuum у Брумфілді, штат Колорадо, у співпраці з Університетом Колорадо в Боулдері.
Для чого потрібні квантові комп’ютери?
«Малі квантові пристрої швидко виходять на арену», — говорить професор Рахул Нандкішор. — «І виникає закономірне питання: на що вони вже здатні?»
Можлива відповідь: на чимало.
Науковці вірять, що квантові комп’ютери одного дня зможуть виконувати завдання з небаченою сьогодні швидкістю — наприклад, розробляти нові ліки або моделювати взаємодію атомів на найдрібніших масштабах. Однак створити такий комп’ютер дуже непросто. Замість звичних бітів (0 або 1), квантові комп’ютери використовують кубіти — одиниці, які можуть бути 0, 1 або одночасно обома значеннями завдяки квантовій суперпозиції.
Кубіти, вузли і топологічні трюки
Кубіти важко контролювати — навіть найменше зовнішнє втручання може зруйнувати їхній стан. Щоб подолати ці обмеження, дослідники зібрали кубіти у так звану топологічну фазу матерії — структуру, схожу на клубок квантових вузлів. Це дозволило їм реалізувати гру, не порушуючи квантову систему — важливий крок до стабільних обчислень.
«Теоретично нічого надто несподіваного у цьому експерименті не було. Але той факт, що все спрацювало так добре — це серйозний показник можливостей цього квантового комп’ютера», — зазначив Девід Стівен, фізик із Quantinuum.
Дивна логіка квантових ігор
Ідея квантових ігор існує давно — ще до появи перших квантових комп’ютерів. Це математичні вправи, що дозволяють вивчати незвичайні можливості квантової фізики. У типовій грі два або більше гравців отримують завдання і мають заповнити сітку нулями й одиницями, наприклад, як у судоку. Виграють, якщо досягають певного математичного патерну. Але — кожен гравець має перебувати в іншій кімнаті, і спілкування між ними заборонено.
«Вони можуть заздалегідь домовитися про стратегію, але під час гри комунікації бути не може. І класичні методи виграти з гарантією не дозволяють», — пояснює Олівер Гарт.
Квантова заплутаність і «псевдотелепатія»
Саме тут і вступає квантова фізика. Девід Мермін ще у 1990-х запропонував: якщо кожному гравцеві дати частинку з заплутаної пари, вони зможуть координувати свої відповіді, не спілкуючись. Цей феномен назвали квантовою псевдотелепатією. Але створити такі заплутані стани на реальних пристроях — непросто. Найменше зовнішнє втручання може розірвати зв’язок між частинками.
Побудова квантових вузлів у реальному пристрої
Команда вирішила підійти до гри по-іншому. Вони скористались системою Quantinuum H1 — пристроєм, що керує до 20 кубітів з іонів ітербію, утримуваних лазерами над чіпом. Їм вдалося створити двовимірну сітку з іонів, які утворили незвичайну структуру квантової заплутаності — не просто окремі пари, а глобальний топологічний порядок. Це можна уявити як систему, де всі кубіти пов’язані в єдиний вузол.
Перемога в квантових іграх
«Ми маємо порядок, що заснований на загальній структурі заплутаності. І локальні порушення не руйнують її», — пояснює Нандкішор. Дослідники зіграли в гру, проводячи вимірювання над різними кубітами в H1-1, і змогли досягти квантової псевдотелепатії — вигравали гру в понад 95% випадків, навіть коли додавали зовнішні перешкоди.
Значення дослідження
Хоча ця гра не вирішує реальні проблеми, вона показує: сучасні квантові комп’ютери вже здатні виконувати завдання, які не під силу класичним стратегіям, і робити це стабільно та масштабовано.
«Це доказ того, що квантові пристрої вже можуть перевершувати класичні підходи — і робити це надійно. А значить, майбутнє квантових обчислень вже поруч», — підсумував Нандкішор.