Хаотичное поведение квантовых битов – кубитов может позволить физикам моделировать сложные квантовые системы без необходимости использовать огромные вычислительные мощности.

Парадоксально, но развитие квантового компьютера следующего поколения ограничивается скоростью работы обычных процессоров. Даже самые быстрые в мире суперкомпьютеры не обладают достаточной мощностью для моделирования квантовых процессоров, а существующие квантовые компьютеры все еще слишком малы.

Художественное изображение квантового процессора (pixabay)

Исследователи из университетов Иннополиса (Россия), Лафборо и Ноттингема (Великобритания) нашли способ решить эту проблему, используя хаотическое поведение кубитов – наименьших элементов для хранения цифровой информации в квантовых компьютерах. Кубиты – квантовые аналоги обычных двоичных битов. Они так же имеют два собственных состояния 0 и 1, но в то же время могут находиться и в промежуточных состояниях, называемых суперпозицией. Именно это и обуславливает широкие возможности будущих квантовых компьютеров. Их вычислительная мощность напрямую зависит от количества кубитов. Для успешной работы с такими системами необходимо изучить их поведение и свойства в различных ситуациях.

Ранее физики знали, что в системах связанных кубитов могут наблюдаться колебания. Теперь же при моделировании их поведения они обнаружили, что в таких системах возможно хаотическое (т.е. случайное, непредсказуемое) поведение. Его могут демонстрировать даже два связанных кубита, а в системах с пятью или более элементами хаос может достигать высокой степени развития, получившей название гиперхаос. Проще говоря, когда кубиты возбуждались источником питания, например, лазером или микроволновым сигналом, они меняли состояния, подобно обычным компьютерным битам, которые меняют значение от 0 до 1, но гораздо более нерегулярным и непредсказуемым образом.

Возможность возникновения хаоса в квантовых системах – одна из активно обсуждаемых в настоящее время проблем в квантовой физике. Важным и до конца не ясным остается вопрос – как может возникнуть хаос в квантовой системе? Каковы механизмы и сценарии такого режима? Значимость этой работы обуславливается тем, что при использовании кубитов для хранения информации, хаотическое поведение – вредное явление.

Сейчас исследователи получили результаты, которые дали новое понимание динамики больших искусственных квантовых структур, важное для проектирования и управления квантовыми системами, обнаружили параметры, при которых в системе реализуется гиперхаос, и методы его эффективного подавления. А также показали возможность управления гиперхаосом, что позволит в будущем моделировать большие квантовые системы без необходимости использовать огромные вычислительные мощности. Важным результатом стало то, что степень сложности хаоса не увеличивалась экспоненциально по мере увеличения размера системы, как это ожидалось, а вместо этого оставалась пропорциональной количеству единиц.

Один из авторов работы Александр Загоскин, представляющий Школу наук Лафборо и университет МИСиС (Москва), пояснил:

«Хорошая аналогия этому – конструирование самолета. Чтобы спроектировать самолет, необходимо решить некоторые уравнения аэродинамики, что очень трудно сделать. Это стало возможно только после Второй мировой войны, когда появились мощные компьютеры. Тем не менее, люди проектировали и запускали самолеты задолго до этого. Это произошло потому, что поведение воздушного потока можно охарактеризовать ограниченным числом параметров, таких как число Рейнольдса и число Маха, которые можно было определить из экспериментов с масштабными моделями.

Прямое моделирование квантовой системы во всех деталях с использованием классического компьютера принципиально невозможно, если она содержит более нескольких тысяч кубитов. Во Вселенной недостаточно материи, чтобы построить классический компьютер, способный справиться с этой проблемой.

Если же мы сможем охарактеризовать разные режимы работы квантового компьютера из 10 000 кубитов всего лишь с помощью 10 000 параметров вместо 2¹⁰⁰⁰⁰ (это больше двойки с тремя тысячами нулей), – это будет настоящим прорывом».

Если переходы между качественно различными режимами работы квантовой системы определяются относительно небольшим числом параметров, то исследователи смогут определить критические значения этих параметров, например, по построению и тестированию масштабных моделей. А затем, выполнив несколько измерений реальной системы, определить, позволят ли параметры квантового процессора работать ему правильно или нет.

В качестве бонуса управляемая сложность поведения больших квантовых систем открывает новые возможности в разработке новых инструментов квантовой криптографии.

Результаты работы, опубликованы в журнале Nature NPJ Quantum Information

По материалам университетов Иннополиса (Россия) и Лафборо (Великобритания)