Kinijos mokslų akademijos Fizikos instituto mokslininkams pavyko tiesiogiai stebėti ir valdyti pretermalizaciją – laikiną, tačiau itin reikšmingą kvantinių sistemų būseną, pasireiškiančią pereinamuoju laikotarpiu.
Tyrimas atliktas pasitelkus 78 kubitų superslaidų kvantinį procesorių „Chuang Tzu 2.0“. Šis pasiekimas atveria galimybes tiksliau suprasti ir valdyti kvantinę dekoherenciją bei geriau kontroliuoti kvantines aplinkas.
Situaciją galima palyginti su švytuokle: jei ramybės būsenoje esančiam svareliui suteikiamas postūmis, po kurio laiko jis grįžta į pusiausvyrą. Panašiai ir kvantinė sistema, sutrikdyta išorinio poveikio, palaipsniui artėja prie subalansuotos būsenos. Joje sukaupta informacija ar energija ima sklisti vis tolygiau ir galiausiai pasiskirsto visoje sistemoje.
Nors fizikoje toks procesas atrodo natūralus, kvantiniuose skaičiavimuose jis tampa rimta problema. Kvantinė dekoherencija lemia, kad kvantinis bitas (kubitas) praranda informaciją, todėl gali tapti neįmanoma patikimai išsaugoti ir vėliau atkurti skaičiavimų rezultatų.
Kvantinis kompiuteris – į pagalbą
Apie kvantinę dekoherenciją mokslininkai žino seniai, tačiau ilgą laiką nebuvo iki galo aišku, kaip tiksliai šis procesas vystosi. Viena pagrindinių priežasčių – dekoherencijos laiko skalių įvertinimas klasikiniams kompiuteriams yra itin sudėtingas, praktiškai neįkandamas uždavinys.
Dėl to Fizikos instituto tyrėjų komanda nusprendė pasitelkti 78 kubitų kvantinį kompiuterį „Chuang Tzu“, kad galėtų detaliau ištirti šį reiškinį. Pasak mokslininkų, „Chuang Tzu“ vaidmuo kvantinių tyrimų kontekste prilygsta vėjo tuneliui aviacijoje: tai eksperimentinė platforma, leidžianti tiesiogiai stebėti ir analizuoti sudėtingą dinamiką.
„Kvantinės sistemos, turinčios beveik 100 bitų, būsenų erdvė yra milžiniška, todėl pilnai simuliuoti tokią sistemą klasikiniais kompiuteriais praktiškai neįmanoma“, – aiškino tyrime dalyvavęs profesorius Fan Heng. „Kvantinis procesorius, būdamas natūrali kvantinė sistema, gali pats tiesiogiai „vystytis“ ir atskleisti sudėtingus dėsningumus.“
Pretermalizacija
Skaičiavimai, atlikti kvantiniu procesoriumi „Chuang Tzu“, pirmą kartą leido tiesiogiai stebėti netikėtą tarpinę kvantinės dekoherencijos stadiją – pretermalizaciją. Šią būseną galima palyginti su ledo tirpimu: ledas virsta vandeniu, tačiau temperatūra kurį laiką išlieka pastovi – 0 °C.
Panašiai ir pretermalizacijos metu kvantinė sistema tam tikrą laiką tarsi atsispiria chaosui ir išlaiko joje užkoduotą informaciją. Tai sukuria galimybę laikinai apsaugoti kvantinę informaciją dar prieš jai pradedant irti dėl dekoherencijos.
„Su „Chuang Tzu 2.0“ aiškiai pamatėme, kad šioje plokščiojoje fazėje chaosas yra tarsi sulaikytas“, – teigė Fan Heng. „Tačiau vos tik šis laikotarpis baigiasi, sistemos sudėtingumas staiga išauga, o informacija pasklinda po visą sistemą. Pretermalizacijos plato buvimas rodo, kad egzistuoja potencialus laiko langas, per kurį galima panaudoti kvantinę informaciją, kol ji dar neišsisklaidė.“
Mokslininkai nustatė, kad ši stadija, nors ir trumpalaikė, yra labai gerai valdoma. Pasitelkę specialiai pritaikytas valdymo sekas jie galėjo reguliuoti tiek pretermalizacijos pobūdį, tiek jos trukmę. Tai galima palyginti su kaitinimo intensyvumo keitimu, kai tokiu būdu reguliuojamas medžiagos būsenos kitimo greitis: tyrėjams pavyko pretermalizaciją tiek prailginti, tiek sutrumpinti.
Geresnis termalizacijos mechanizmų supratimas ateityje turėtų padėti kurti kvantines operacijas, kurias būtų galima tiksliau valdyti, taip pailginant kvantinių būsenų gyvavimo laiką.
Tikimasi, kad gauti rezultatai prisidės prie efektyvesnių kvantinės paklaidų korekcijos schemų kūrimo ir leis dar labiau prailginti kubitų koherencijos laiką. Be to, šis tyrimas aiškiai parodo, jog kvantiniai kompiuteriai gali padėti spręsti ypač sudėtingus uždavinius, kurie klasikiniams kompiuteriams išlieka neįveikiami.
