Физики определили предел скорости квантовых вычислений

Какие факторы определяют, насколько быстро квантовый компьютер может выполнять свои вычисления? Физики из Боннского университета и Техниона — Израильского технологического института разработали элегантный эксперимент, чтобы ответить на этот вопрос. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Квантовые компьютеры — это очень сложные машины, которые полагаются на принципы квантовой механики для обработки информации. Это должно позволить им решать определенные проблемы в будущем, которые совершенно не решаемы для обычных компьютеров.

Но даже для квантовых компьютеров существуют фундаментальные ограничения на объем данных, которые они могут обработать за заданное время.

Квантовые ворота требуют минимум времени

Информацию, хранящуюся в обычных компьютерах, можно представить как длинную последовательность нулей и единиц, то есть битов.

В квантовой механике все иначе: информация хранится в квантовых битах (кубитах), которые напоминают волну, а не серию дискретных значений. Физики также говорят о волновых функциях, когда хотят точно представить информацию, содержащуюся в кубитах.

В традиционном компьютере информация связана между собой так называемыми воротами. Объединение нескольких ворот позволяет выполнять элементарные вычисления, такие как сложение двух битов.

Информация обрабатывается очень похожим образом в квантовых компьютерах, где квантовые ворота изменяют волновую функцию по определенным правилам.

Квантовые ворота напоминают своих традиционных родственников в другом отношении: «Даже в квантовом мире ворота не работают бесконечно быстро», — объясняет доктор Андреа Альберти из Института прикладной физики Боннского университета. «Им требуется минимальное количество времени для преобразования волновой функции и содержащейся в ней информации».

Более 70 лет назад советские физики Леонид Мандельштам и Игорь Тамм теоретически вывели это минимальное время преобразования волновой функции. Физики Боннского университета и Техниона впервые исследовали этот предел Мандельштама-Тамма с помощью эксперимента на сложной квантовой системе.

Для этого они использовали атомы цезия, которые двигались строго контролируемым образом. «В эксперименте мы позволяем отдельным атомам катиться вниз, как шарикам в световой чаше, и наблюдать за их движением», — объясняет Андреа Альберти, руководивший экспериментальным исследованием.

Атомы можно описать квантово-механически как волны материи. Во время путешествия на дно световой чаши их квантовая информация меняется. Исследователи захотели узнать, как эта “деформация” может быть выявлена как можно раньше. Тогда такое время стало бы экспериментальным доказательством предела Мандельштама-Тамма.

Проблема, однако, заключается в том, что в квантовом мире каждое измерение положения атома неизбежно непредсказуемым образом изменяет материальную волну. Поэтому всегда кажется, что она деформировалась, независимо от того, как быстро производится измерение. “Поэтому мы разработали другой метод для обнаружения отклонения от исходного состояния”, — говорит Андреа Альберти.

Для этой цели исследователи начали с создания клона материальной волны, другими словами, почти точного двойника.

«Мы использовали быстрые световые импульсы для создания так называемой квантовой суперпозиции двух состояний атома», — объясняет Гал Несс, автор исследования. «Образно говоря, атом ведет себя так, как если бы он имел два разных цвета одновременно».

В зависимости от цвета каждый атомный близнец занимает свое положение в световой чаше: один находится высоко на краю и «скатывается» оттуда. Другой, наоборот, уже находится на дне чаши. Этот двойник не двигается и, следовательно, не меняет своей волновой функции.

Физики регулярно сравнивали два клона. Они сделали это, используя технику, называемую квантовой интерференцией, которая позволяет очень точно обнаруживать различия в волнах. Это позволило им определить, через какое время впервые произошла значительная деформация материальной волны.

Два фактора определяют ограничение скорости

Изменяя высоту над дном чаши в начале эксперимента, физики также могли контролировать среднюю энергию атома. Среднюю, потому что, в принципе, точно определить сумму невозможно. Следовательно, «энергия положения» атома всегда неопределенна.

«Мы смогли продемонстрировать, что минимальное время для изменения материальной волны зависит от этой энергетической неопределенности», — говорят ученые, — «чем больше неопределенность, тем короче время Мандельштама-Тамма».

Это именно то, что предсказывали два советских физика. Но был также и второй эффект: если неопределенность энергии увеличивалась все больше и больше, пока не превышала среднюю энергию атома, то минимальное время не уменьшалось дальше — вопреки тому, что фактически предполагал предел Мандельштама-Тамма.

Таким образом, физики доказали второе ограничение скорости, которое было теоретически обнаружено около 20 лет назад. Таким образом, предел скорости в квантовом мире определяется не только неопределенностью энергии, но и средней энергией.

«Впервые обе границы квантовой скорости могут быть измерены для сложной квантовой системы и даже в одном эксперименте», — говорят исследователи. Квантовые компьютеры будущего могут быстро решать проблемы, но они тоже будут ограничены этими фундаментальными ограничениями.