Badacze odkryli, że nawet najprostsza, chaotyczna dynamika w symulatorze kwantowym w sposób naturalny wyłania złożone losowe zachowania. Ta ilustracja przybliża jeden taki złożony zestaw stanów w pozornie gładkim systemie kwantowym. Źródło: Adam Shaw/Caltech

Losowość w maszynach kwantowych pomaga potwierdzić ich dokładność.

Komputery kwantowe i inne systemy kwantowe doświadczają rozprzestrzeniania się informacji i szybkiego mieszania, podobnie jak w przypadku kostek w grze Boggle. Dzieje się tak, gdy podstawowe jednostki systemu, znane jako kubity (które są podobne do klasycznych bitów komputerowych, ale mają charakter kwantowy), zostają splątane ze sobą. Splątanie to zjawisko fizyki kwantowej, w którym cząstki łączą się i pozostają połączone, nawet jeśli nie stykają się bezpośrednio.

Te systemy kwantowe naśladują naturalne procesy i oferują naukowcom możliwość tworzenia innowacyjnych i unikalnych materiałów o potencjalnych zastosowaniach w medycynie, elektronice komputerowej i innych gałęziach przemysłu. Chociaż pełnowymiarowe komputery kwantowe to jeszcze daleka przyszłość, naukowcy prowadzą obecnie eksperymenty z symulatorami kwantowymi, które są specjalnie zaprojektowane do rozwiązywania konkretnych problemów, takich jak wydajna symulacja nadprzewodników wysokotemperaturowych i innych materiałów kwantowych. Maszyny te mają również potencjał do rozwiązywania złożonych problemów optymalizacyjnych, takich jak zapobieganie kolizjom w wyznaczaniu tras pojazdów autonomicznych.

Jednym z wyzwań związanych z używaniem tych maszyn kwantowych jest to, że są one bardzo podatne na błędy, znacznie bardziej niż klasyczne komputery. Znacznie trudniej jest również zidentyfikować błędy w tych nowszych systemach. „W większości komputery kwantowe popełniają wiele błędów” — mówi Adam Shaw, absolwent fizyki na Caltech i jeden z dwóch głównych autorów badania w czasopiśmie Natura o nowej metodzie weryfikacji[{” attribute=””>accuracy of quantum devices. “You cannot open the machine and look inside, and there is a huge amount of information being stored—too much for a classical computer to account for and verify.”

In the Nature study, Shaw and co-lead author Joonhee Choi, a former postdoctoral scholar at Caltech who is now a professor at Stanford University, demonstrate a novel way to measure a quantum device’s accuracy, also known as fidelity. Both researchers work in the laboratory of Manuel Endres, a professor of physics at Caltech and a Rosenberg scholar. The key to their new strategy is randomness. The scientists have discovered and characterized a newfound type of randomness pertaining to the way information is scrambled in the quantum systems. But even though the quantum behavior is random, universal statistical patterns can be identified in the noise.

“We are interested in better understanding what happens when the information is scrambled,” Choi says. “And by analyzing this behavior with statistics, we can look for deviations in the patterns that indicate errors have been made.”

“We don’t want just a result from our quantum machines; we want a verified result,” Endres says. “Because of quantum chaos, a single microscopic error leads to a completely different macroscopic outcome, quite similar to the butterfly effect. This enables us to detect the error efficiently.”

The researchers demonstrated their protocol on a quantum simulator with as many as 25 qubits. To find whether errors have occurred, they measured the behavior of the system down to the single qubit level thousands of times. By looking at how qubits evolved over time, the researchers could identify patterns in the seemingly random behavior and then look for deviations from what they expected. Ultimately, by finding errors, researchers will know how and when to fix them.

“We can trace how information moves across a system with single qubit resolution,” Choi says. “The reason we can do this is that we also discovered that this randomness, which just happens naturally, is represented at the level of just one qubit. You can see the universal random pattern in the subparts of the system.”

Shaw compares their work to measuring the choppiness of waves on a lake. “If a wind comes, you’ll get peaks and troughs on the lake, and while it may look random, one could identify a pattern to the randomness and track how the wind affects the water. We would be able to tell if the wind changes by analyzing how the pattern changes. Our new method similarly allows us to look for changes in the quantum system that would indicate errors.”

Reference: “Preparing random states and benchmarking with many-body quantum chaos” by Joonhee Choi, Adam L. Shaw, Ivaylo S. Madjarov, Xin Xie, Ran Finkelstein, Jacob P. Covey, Jordan S. Cotler, Daniel K. Mark, Hsin-Yuan Huang, Anant Kale, Hannes Pichler, Fernando G. S. L. Brandão, Soonwon Choi and Manuel Endres, 18 January 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05442-1

The study was funded, in part, by the U.S. National Science Foundation, the Defense Advanced Research Projects Agency, the Army Research Office, and the Department of Energy.