Улучшение случайности может упростить создание более мощных квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры могут генерировать случайность гораздо проще, чем считалось ранее. Это неожиданное открытие показывает, что нам еще многое предстоит узнать о том, как странная область квантовой физики пересекается с вычислениями.
Случайность — важный компонент многих вычислительных задач. Например, прогнозирование погоды включает многократное моделирование поведения атмосферы, каждый раз с немного разными начальными условиями, выбранными случайным образом. Настройка кубитов квантовых компьютеров в случайные конфигурации для получения результатов — один из способов, с помощью которого исследователи пытаются продемонстрировать квантовое превосходство, когда квантовые компьютеры выполняют задачи, практически недоступные классическим машинам.
Создание таких случайных конфигураций по сути означает многократное «перемешивание» кубитов и их связей — подобно тасовке колоды карт. Логично предположить, что если большую колоду сложнее перемешать, увеличение числа кубитов также потребует большего времени для рандомизации. Поскольку большее количество перетасовок повышает риск разрушения хрупкого квантового состояния, многие полезные приложения, основанные на случайности, считались ограниченными для небольших квантовых компьютеров.
Физик-теоретик Томас Шустер из Калифорнийского технологического института и его коллеги выяснили, что эти случайные последовательности можно создавать с меньшим числом перетасовок, чем предполагалось. Это открывает возможность использования случайных конфигураций кубитов, которые ранее считались слишком сложными для реализации на крупных квантовых компьютерах.
Исследование увидело свет на страницах журнала Science. Его авторы представили набор кубитов, разделенных на меньшие блоки, и математически показали, что каждый из этих блоков может генерировать случайную последовательность. Затем они доказали, что эти меньшие блоки можно «склеить» вместе, создав хорошо перемешанную версию исходного набора кубитов — и это работает не так, как можно было бы ожидать.
«Это очень удивительно, потому что подобное невозможно для генераторов случайных чисел в классических системах», — говорит ученый.
Например, перемешивание колоды карт блоками было бы очень заметно, так как карты из верхнего блока всегда оставались бы ближе к верху. В квантовом случае это не так, потому что квантовое перемешивание создает случайную суперпозицию всех возможных перестановок.
«Это гораздо более сложный объект, чем классический способ перемешивания. Например, порядок верхних карт больше не фиксирован, потому что мы находимся в суперпозиции множества возможных перестановок. Если я попробую классический подход и измерю положение верхних карт после перемешивания, то каждый раз буду получать случайные результаты, которые не несут никакой информации о самом процессе перемешивания. Это действительно новый, присущий только квантовой механике феномен», — объясняет Шустер.
«Все думали, что такой случайный квантовый процесс будет чрезвычайно сложно создать, но авторы показали, что это можно сделать практически с максимальной эффективностью. Это очень неожиданный результат», — заметил Питер Клайс из Института физики сложных систем Макса Планка в Германии.
«Случайные квантовые схемы имеют множество применений в квантовых алгоритмах и даже для демонстрации так называемого квантового превосходства. Авторы уже выделили несколько приложений в квантовых вычислениях, и я ожидаю, что и другие последуют их примеру», — добавил Эшли Монтанаро из Бристольского университета.
Он предупредил, впрочем, что работа упростит проведение экспериментов по демонстрации квантового превосходства, но это не означает, что практическая польза от такого превосходства станет ближе.