Mokslininkams iš Kinijos mokslų akademijos Fizikos instituto pavyko tiesiogiai stebėti ir valdyti pretermalizaciją – laikiną, bet itin svarbią kvantinių sistemų būseną pereinamuoju laikotarpiu.
Tyrimai buvo atlikti naudojant 78 kubitų superslaidų kvantinį procesorių „Chaung tzu 2.0“. Šis pasiekimas atveria galimybes tiksliau valdyti kvantinę dekoherenciją ir geriau kontroliuoti kvantines aplinkas.
Panašiai kaip stacionarus švytuoklės svarelis, kuriam suteikus postūmį ji po kurio laiko grįžta į pusiausvyros padėtį, taip ir kvantinė sistema, sutrikdyta išorinio poveikio, palaipsniui grįžta į subalansuotą būseną. Visa joje saugoma informacija ar energija ima tolygiai sklisti ir ilgainiui pasiskirsto visoje sistemoje.
Nors toks procesas fizikoje atrodo įprastas, kvantiniame skaičiavime tai yra rimta problema. Šis reiškinys, vadinamas kvantine dekoherencija, lemia tai, kad kvantinis bitas (kubitą) praranda informaciją. Dėl dekoherencijos gali būti neįmanoma išsaugoti ir vėliau atkurti skaičiavimų rezultatų.
Kvantinis kompiuteris – į pagalbą
Apie kvantinę dekoherenciją mokslininkai žino jau seniai, tačiau iki šiol tiksliai nebuvo aišku, kaip ji vyksta. Viena iš priežasčių – tai, kad kvantinės dekoherencijos laiko skalės apskaičiavimas yra pernelyg sudėtingas uždavinys šiandieniniams klasikiniams kompiuteriams.
Dėl to Fizikos instituto tyrėjų komanda nusprendė naudoti 78 kubitų kvantinį kompiuterį „Chaung tzu“, kad geriau suprastų šį procesą. Pasak mokslininkų, „Chaung tzu“ vaidmuo kvantiniams skaičiavimams yra panašus į vėjo tunelio vaidmenį bandant naikintuvus – tai eksperimentinė platforma, leidžianti tiesiogiai tirti sudėtingą dinamiką.
„Kvantinei sistemai, turinčiai beveik 100 bitų, jos būsenų erdvė yra milžiniška, todėl pilna tokios sistemos būsenų simuliacija klasikiniais kompiuteriais yra praktiškai neįgyvendinama“, – aiškino Fizikos instituto profesorius Fan Heng, dalyvavęs šiame tyrime. „Kaip natūrali kvantinė sistema, kvantinis procesorius gali tiesiogiai „vystytis“ ir atskleisti tokias sudėtingas dinamikos dėsningybes.“
Pretermalizacija
Skaičiavimai, atlikti naudojantis kvantiniu procesoriumi „Chaung tzu“, pirmą kartą leido tyrėjams tiesiogiai stebėti netikėtą tarpinę kvantinės dekoherencijos stadiją, vadinamą pretermalizacija. Ši būsena primena situaciją, kai ledas tirpsta į vandenį, tačiau temperatūra kurį laiką išlieka pastovi – 0 °C.
Panašiai ir per pretermalizaciją kvantinė sistema tam tikrą laiką atsispiria chaosui ir išsaugo joje užkoduotą informaciją. Tai sukuria galimybę apsaugoti kvantinę informaciją prieš jai pradedant irti dėl dekoherencijos.
„Su „Chuang-tzu 2.0“ mes aiškiai pamatėme, kad šioje plokščiojoje fazėje chaosas yra tarsi sulaikytas“, – pasakojo Fan Heng. – „Tačiau vos tik šis laikotarpis baigiasi, sistemos sudėtingumas staiga išauga, o informacija pasklinda po visą sistemą. Pretermalizacijos plato buvimas rodo potencialų laiko langą, per kurį galima panaudoti kvantinę informaciją, kol ji dar neišsisklaidė.“
Mokslininkai nustatė, kad ši stadija, nors ir trumpalaikė, yra labai gerai valdoma. Naudodami specialiai pritaikytas valdymo sekas jie sugebėjo manipuliuoti sistema, reguliuodami ir pretermalizacijos raštą, ir trukmę. Panašiai kaip keičiant kaitinimo intensyvumą galima reguliuoti medžiagos būsenos kitimo spartą, taip ir čia mokslininkai galėjo tiek prailginti, tiek sutrumpinti pretermalizacijos trukmę.
Geriau suprasdami, kaip vyksta termalizacija, tyrėjai galės kurti tokias kvantines operacijas, kurias būtų įmanoma tiksliau kontroliuoti ir taip pailginti kvantinių būsenų gyvavimo laiką.
Tikimasi, kad šie rezultatai padės kurti efektyvesnes kvantinės paklaidų korekcijos schemas ir dar labiau prailginti kubitų koherencijos laiką. Be to, tyrimas aiškiai parodo, kaip kvantiniai kompiuteriai gali padėti spręsti itin sudėtingas užduotis, kurios klasikiniams kompiuteriams yra neįveikiamos.
