Що такого в квантових комп’ютерах робить їх потужнішими за звичайні машини? Новий експеримент показує, що властивість «квантової релевантності» може бути ключовим компонентом.

Квантові комп’ютери принципово відрізняються від інших комп’ютерів, оскільки вони використовують специфічні квантові явища, відсутні у звичайній електроніці. Наприклад, їхні будівельні блоки, які називаються кубітами, регулярно перебувають у станах суперпозиції – вони одночасно мають дві властивості, які зазвичай є взаємовиключними, – або вони пов’язані через нерозривні зв’язки квантової заплутаності.

Тепер дослідники Google Quantum AI використали свій квантовий комп’ютер Willow для проведення ряду демонстрацій, показуючи, що властивість квантової релевантності також відіграє важливу роль.

Квантова релевантність фіксує примхи щодо вимірювання властивостей квантових об’єктів. У той час як на колір пера, скажімо, не впливає те, чи вимірюєте його до чи після вимірювання довжини пера, для квантового об’єкта результати вимірювань не можна розглядати як уже існуючі властивості, які не залежать від усіх інших вимірювань.

Цю актуальність раніше вивчали в спеціальних експериментах із квантовим світлом, а в 2018 році команда дослідників математично довела, що її також можна використовувати в алгоритмах квантового обчислення.

Зокрема, цей алгоритм дозволить квантовому комп’ютеру знайти математичну формулу, приховану у великому математичному об’єкті, за фіксовану кількість кроків, незалежно від того, наскільки великим цей об’єкт. Іншими словами, квантова релевантність дає змогу знайти щось на зразок пошуку голки в стозі сіна незалежно від розміру стоги сіна.

Експеримент Google застосував цей алгоритм до збільшення кількості кубітів у діапазоні від кількох до 105, що еквівалентно збільшенню стогу сіна. Оскільки Willow має більше шуму, тобто він менш безпомилковий, ніж ідеальний теоретичний квантовий комп’ютер, для якого був написаний алгоритм, кількість кроків збільшувалася разом із числом кубітів. Однак Віллоу все одно використовував менше кроків, ніж, за оцінками дослідників, потрібно звичайному комп’ютеру.

Таким чином, квантова релевантність веде до квантової переваги – у випадку квантового комп’ютера, який користується своєю квантовістю, щоб перевершити продуктивність класичних пристроїв. Крім того, команда впровадила кілька інших протоколів квантового обчислення, які покладаються на квантову релевантність, і виявила, що його вплив є сильнішим, ніж попередні дослідження.

«Коли я вперше про це почув, я сказав, що це не може бути правдою. Це неймовірно», — каже Едан Кабелло з Університету Севільї в Іспанії.

«Ці результати чітко демонструють, як сучасні квантові комп’ютери розширюють межі експериментальної квантової фізики», — каже Вір Булчандані з Університету Райса в Техасі. Він каже, що будь-який квантовий комп’ютер, який є кандидатом на корисну квантову перевагу, повинен мати можливість виконувати ці завдання, як еталон його квантового характеру.

Однак продуктивність ще не є доказом квантової переваги, яку можна застосувати на практиці, оскільки алгоритм 2018 року довів перевагу квантових комп’ютерів над класичними комп’ютерами лише для більшої кількості кубітів, ніж у Willow, і використання кубітів, менш схильних до помилок, говорить Деніел Лідар з Університету Південної Каліфорнії. Він каже, що наступним кроком може бути підключення нової роботи до квантових алгоритмів виправлення помилок.

Цей експеримент не тільки представляє новий еталон для квантових комп’ютерів, але й підкреслює важливість найбільш фундаментальних аспектів квантової фізики. Кабелло каже, що дослідникам досі не вистачає вичерпної теорії про те, що саме викликає квантову перевагу, але на відміну від заплутаності, яку часто доводиться створювати, релевантність певним чином вбудована в квантові об’єкти. Квантові комп’ютери, такі як Віллоу, тепер достатньо хороші, щоб змусити нас серйозно сприймати дивацтва квантової фізики, каже він.