Квантовый хаос: найден способ снижения количества ошибок на квантовом процессоре
Квантовый хаос — это загадочная область, где строгий детерминизм квантовой механики встречается с непредсказуемостью классического хаоса. Моделирование таких систем на классических компьютерах наталкивается на фундаментальные преграды: с ростом числа частиц сложность расчетов растет экспоненциально. Квантовые процессоры, казалось бы, созданы для решения этой задачи, но их потенциал долгое время сковывал злейший враг — шум и ошибки.
Полноценная коррекция ошибок, требующая колоссальных ресурсов, остается пока делом будущего. Однако, как показывает прорывное исследование, опубликованное в Nature Physics, выход можно найти уже сегодня. Группе ученых удалось совершить значительный шаг, симулировав многочастичный квантовый хаос на 91-кубитном процессоре. Их успех основан на двух ключевых идеях: отказе от борьбы с ошибками в реальном времени в пользу их последующего «смягчения» и использовании особых, двойных унитарных схем, которые словно предназначены для того, чтобы раскрыть хаос, оставаясь при этом частично подконтрольными.
В основе работы лежит стратегический компромисс. Вместо реализации ресурсоемкой коррекции ошибок в ходе вычислений исследователи применили методику смягчения ошибок. Этот подход допускает наличие шума в процессе квантовых операций, а затем устраняет его влияние на этапе постобработки данных.
Для этого был использован метод подавления ошибок на основе тензорных сетей. Его суть заключается в точной характеризации шума на процессоре и последующем математическом «обращении» зашумленного канала с помощью тензорных сетей. Таким образом, ученые пожертвовали классическим временем расчета и приняли некоторые аппроксимации, но получили возможность обойтись меньшим числом повторных измерений на самом квантовом устройстве по сравнению с традиционными методами.
Для моделирования была выбрана особая архитектура — так называемые двойные унитарные схемы. Их уникальность в том, что составляющие их квантовые вентили унитарны не только во временном, но и в пространственном измерении. Это свойство делает их чрезвычайно хаотичными и быстро перемешивающими информацию, что идеально для изучения квантового хаоса.
При этом для них можно аналитически рассчитать некоторые конкретные наблюдаемые величины, что предоставляет бесценный эталон для проверки результатов. На практике команда использовала эти схемы для моделирования периодически возбуждаемой квантовой цепи Изинга, подготовив определенные начальные состояния. После применения процедуры смягчения ошибок, результаты эксперимента — а именно, затухание автокорреляционных функций, с высокой точностью совпали с аналитическими предсказаниями для систем разного масштаба.
Особую ценность работе придает тщательное сравнение с классическими методами. Ученые провели бенчмаркинг, сопоставив данные с квантового процессора как с аналитическими решениями (где это было возможно), так и с продвинутыми классическими симуляциями на основе тензорных сетей. Сравнение проводилось в двух представлениях (способах описания квантовомеханических явлений): Гейзенберга (где эволюционируют операторы) и Шредингера (где эволюционируют векторы состояния).
Было обнаружено, что после смягчения ошибок экспериментальные данные хорошо согласуются с моделированием в представлении Гейзенберга, в то время как симуляция в представлении Шредингера для сопоставимой точности потребовала бы непрактично больших вычислительных затрат уже в масштабах эксперимента. Это указывает на то, что моделирование в представлении Гейзенберга демонстрирует более быструю сходимость для данных задач. Важно, что в масштабах, где классический перебор невозможен, а аналитических решений нет, квантовый симулятор с методом смягчения ошибок позволяет получать результаты, которые можно сравнивать только с приближенными классическими методами.
В итоге, данное исследование открывает практический путь для использования квантовых процессоров промежуточного масштаба в качестве полноценного научного инструмента для изучения квантового хаоса, переноса и локализации еще до наступления эры отказоустойчивых вычислений. Оно укрепляет доверие к квантовым симуляциям, демонстрируя, что даже в условиях шума можно извлекать достоверные физические результаты, потенциально превосходящие возможности классических алгоритмов в моделировании динамики многих тел. Это значимый шаг от демонстрационных экспериментов к решению практически значимых задач в квантовой физике.