Автор: Денис Аветисян
На сложном квантовом процессоре ibm_aachen был реализован важный эксперимент: создание GHZ-состояния, запутывающего 120 кубитов. Для этого потребовалась квантовая схема с глубиной 18 CNOT-гейтов и восемь дополнительных (вспомогательных) кубитов для контроля чётности. Ключевым аспектом успеха стал детальный анализ временных задержек в распространении сигналов и пространственного расположения кубитов на чипе. Этот анализ позволил выявить и частично скомпенсировать ошибки, возникающие из-за дефектов в работе гейтов или в процессе измерений. Качество полученного состояния было подтверждено (сертифицировано) путём измерения семи диагональных и семи недиагональных стабилизаторов.
Долгое время создание стабильных и масштабируемых квантовых состояний, особенно с большим числом частиц, было серьёзным вызовом для учёных. Основная сложность заключалась в сохранении квантовой когерентности при увеличении масштаба системы. Однако прорывное исследование, описанное в работе «Big cats: entanglement in 120 qubits and beyond», демонстрирует, что создание и проверка запутанных состояний, объединяющих рекордные 120 кубитов, теперь возможно. Этот результат был достигнут благодаря инновационным подходам к компиляции квантовых схем и подавлению ошибок. Данное достижение заставляет задуматься о будущем: откроет ли этот прогресс путь к созданию квантовых компьютеров, способных решать задачи, непосильные для классических суперкомпьютеров? Действительно ли мы стоим на пороге новой эры, когда квантовые технологии станут практической реальностью?
ГЦХ-состояния: Фундаментальный Ресурс для Квантовых Технологий
Состояния Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ) — это особый класс квантовых состояний, демонстрирующих максимальную запутанность между многими частицами. Такие сильные корреляции делают их краеугольным камнем для развития квантовых вычислений, коммуникаций и метрологии. Их внутренняя гармония и взаимосвязанность открывают возможности для новых алгоритмов и протоколов, принципиально невозможных в классической физике. Это не просто абстрактные математические конструкции, а практические инструменты для исследования фундаментальных основ квантового мира.
Присущие GHZ-состояниям свойства делают их идеальным тестовым полигоном для проверки качества и производительности квантовых процессоров. Можно провести аналогию со сложным музыкальным инструментом: чтобы оценить качество его сборки и точность настройки, необходимо исполнить на нём виртуозную композицию. Аналогично, работа с GHZ-состояниями позволяет «протестировать» квантовый процессор на самом глубоком уровне, выявив его сильные и слабые стороны.
Однако создание и подтверждение таких состояний, особенно в больших масштабах, сопряжено со значительными экспериментальными трудностями. Это похоже на попытку удержать в равновесии сложную хрупкую скульптуру. Малейшее внешнее возмущение или внутренний дефект могут разрушить всю запутанную структуру. Поэтому для успеха необходимы высочайшая точность управления кубитами и эффективное подавление всех видов шумов.
Экспериментальная реализация GHZ-состояний опирается на различные физические платформы: захваченные ионы, сверхпроводящие цепи, фотоны. У каждой платформы есть свои сильные и слабые стороны. Например, ионы обеспечивают высокую когерентность, но их масштабирование технически сложно. Сверхпроводящие кубиты позволяют создавать сложные интегральные схемы, но они очень чувствительны к внешним шумам. Фотоны отлично подходят для передачи информации, но требуют высокоэффективных источников и детекторов. Выбор платформы всегда является компромиссом, зависящим от конкретных целей эксперимента.
Исследование наглядно показывает, что сертификацию состояния можно проводить двумя эквивалентными методами: через измерение колебаний чётности и популяции (графики a-b) или через прямую оценку достоверности (верности) состояния (график c). Оба метода, применённые для подготовки 100-кубитного GHZ-состояния на процессоре ibm_kingston, дали сопоставимые результаты. Оценка верности составила 0.536(8) для первого метода и 0.55(3) для второго, что подтверждает корректность подхода.
Создание масштабируемого квантового устройства — это искусство композиции, а не хаотичного набора элементов. Красота и эффективность системы масштабируются, а беспорядок — нет. Поэтому, как и в архитектуре, проектирование устойчивого квантового процессора требует тщательного планирования и внимания к каждой детали. Важно не только достичь определённых показателей на малом масштабе, но и заложить принципы, позволяющие увеличивать систему для решения более сложных задач. GHZ-состояния — это не только технологические инструменты, но и свидетельство стремления человечества понять фундаментальные законы природы и создать на их основе новые, ранее недоступные возможности.
Адаптивная Компиляция: Гармония Схемы и Аппаратного Обеспечения
Адаптивная компиляция — это передовая стратегия для генерации крупномасштабных GHZ-состояний. Её суть заключается в динамической подстройке квантовой схемы под конкретные ограничения и архитектуру используемого аппаратного обеспечения (квантового процессора). В основе этого подхода лежит математический аппарат групп стабилизаторов, который позволяет оптимизировать дизайн схемы и минимизировать потенциальные ошибки. Это не просто технический приём, а элегантный метод, в котором форма схемы неразрывно связана с её функцией.
Традиционные, заранее заданные (статические) схемы часто оказываются неэффективными, так как не учитывают индивидуальные особенности «железа». Это похоже на попытку построить сложное здание по типовому проекту, не учитывающему особенности грунта. Адаптивная компиляция, напротив, позволяет «вырастить» схему, органично вписанную в ландшафт доступных кубитов и связей между ними. Это принципиально иной, более гибкий подход к проектированию.
Значительное улучшение характеристик достигается за счёт техники «отмены вычислений» (uncomputation). Эта методика позволяет подавлять накапливающиеся ошибки и усиливать общую когерентность системы. Её можно сравнить с работой скульптора, который удаляет лишний материал, чтобы проявить истинную форму и красоту статуи. Отменяя промежуточные, ненужные для конечного результата операции, исследователи не только снижают вероятность ошибок, но и освобождают вычислительные ресурсы.
Эксперимент демонстрирует влияние дефазировки (потери когерентности) на состояние недиагональных стабилизаторов: их качество ухудшается. Однако применение техники динамического развязывания (Dynamic Decoupling, DD) позволяет значительно улучшить ситуацию. На временной диаграмме показано точное расположение DD-импульсов (зелёные полосы) относительно моментов выполнения однокубитных (красные) и двухкубитных (синие) гейтов в процессе подготовки 20-кубитного GHZ-состояния на процессоре ibm_kingston.
Исследователи стремились преодолеть ограничения жёстких, статичных конструкций, создавая схемы, которые были бы не только функциональны, но и оптимальны с точки зрения использования ресурсов. Подобно архитектору, заботящемуся о гармонии и пропорциях, они искали баланс между сложностью и надёжностью. Их работа демонстрирует глубокое понимание как принципов квантовой механики, так и искусства инженерного проектирования, где ясность и последовательность являются залогом долговечности и понятности системы.
Таким образом, адаптивная компиляция — это не просто инструмент, а целая философия проектирования. Она позволяет создавать квантовые схемы, которые не являются компромиссом с аппаратурой, а максимально раскрывают её потенциал, открывая путь к более масштабным и сложным вычислениям.
Верификация Состояний: Преодолевая Границы Традиционных Методов
В стремлении создать надёжные квантовые ресурсы верификация (проверка) полученного состояния — это краеугольный камень любого эксперимента. Однако традиционные методы проверки многочастичной запутанности, такие как анализ колебаний чётности или измерение множественной квантовой когерентности, часто плохо масштабируются с ростом числа кубитов или оказываются чрезмерно чувствительными к шумам. Эти ограничения подталкивают к поиску более совершенных и эффективных подходов.
Прямая оценка верности (Direct Fidelity Estimation, DFE) представляет собой многообещающую альтернативу, способную преодолеть некоторые из этих барьеров. Главное преимущество DFE — её масштабируемость: количество необходимых измерений растёт не экспоненциально, а полиномиально с увеличением числа кубитов. Однако для получения точных результатов DFE требует тщательно продуманной стратегии смягчения ошибок считывания. Даже небольшие систематические погрешности при измерении кубитов могут серьёзно исказить итоговую оценку качества состояния.
Для решения этой задачи в исследовании были применены передовые методы коррекции ошибок считывания, а именно алгоритмы M3 и T-REX. Каждый из них обладает уникальными свойствами: M3 основан на статистической коррекции и эффективно борется с шумами самого процесса измерения, в то время как T-REX использует метод «выкручивания» (twirling) для компенсации влияния внешних факторов, искажающих результаты. Их комбинация позволяет охватить широкий спектр возможных погрешностей.
Выбор именно этих методов не случаен; они взаимно дополняют друг друга. Сочетание M3 и T-REX обеспечивает высокоточную оценку верности, гарантируя, что подготовленные GHZ-состояния обладают необходимым качеством для решения сложных прикладных задач. Каждый элемент этой процедуры верификации был тщательно продуман и интегрирован, создавая целостную и надёжную систему. Истинная надёжность рождается из тщательной проработки деталей и элегантности решения.
Применение этих передовых стратегий верификации гарантирует пригодность созданных GHZ-состояний для самых требовательных приложений: от защищённой квантовой связи до прецизионных измерений. Именно в таком симбиозе научной строгости и инженерного искусства рождаются настоящие инновации, способные изменить технологический ландшафт.
Применение и Перспективы: Раскрывая Потенциал ГЦХ-состояний
Созданные исследователями многокубитные GHZ-состояния — это не просто демонстрация высочайшего мастерства, но и фундаментальный ресурс для будущих технологий. Их можно сравнить с идеально настроенным оркестром, где каждый инструмент (кубит) звучит слаженно, обеспечивая беспрецедентную точность и устойчивость к ошибкам в квантовых вычислениях. Эта устойчивость является ключом к созданию надёжных квантовых компьютеров.
Однако сфера применения GHZ-состояний гораздо шире. Они играют центральную роль в протоколах квантового разделения секрета, позволяя создавать абсолютно защищённые каналы связи. В этой аналогии запутанное состояние подобно партитуре, разделённой между музыкантами: только собрав все части вместе, можно воспроизвести зашифрованное сообщение. Кроме того, GHZ-состояния необходимы для квантовой телепортации, выступая в роли «квантового моста» для мгновенной передачи информации, и для квантовой метрологии, где они служат сверхчувствительным измерительным инструментом.
Тем не менее, создание и поддержание таких состояний остаётся чрезвычайно сложной задачей. Каждый кубит требует деликатного контроля, а вся система — постоянного мониторинга на предмет декогеренции. Поэтому учёные уделяют столько внимания не только генерации, но и тщательной верификации состояний, стремясь к тому, чтобы каждый «инструмент» в их «квантовом оркестре» звучал чисто.
Дальнейшее совершенствование технологий подготовки, проверки и управления GHZ-состояниями, подобное оттачиванию мастерства виртуоза, проложит путь к созданию поистине революционных квантовых технологий. Вполне вероятно, что в обозримом будущем мы станем свидетелями появления квантовых устройств, решающих задачи, недоступные самым мощным классическим суперкомпьютерам, что откроет новые горизонты в материаловедении, фармакологии, криптографии и других областях.
Исследование, представленное авторами, демонстрирует впечатляющий прогресс, достигнув масштаба в 120 запутанных кубитов. Эта работа, направленная на преодоление барьеров декогеренции и ошибок, перекликается со словами физика Джона Стюарта Белла: «Если вы не можете представить себе что-то, то это не значит, что этого не существует». Действительно, используя передовые методы вроде динамического подавления шумов и прямой оценки верности, авторы раздвигают границы возможного, подтверждая, что даже самые сложные квантовые состояния могут быть созданы и исследованы. Элегантность их подхода, стремление к гармонии между масштабом и точностью, свидетельствует о глубоком понимании квантовой механики.
Что дальше? Взгляд в будущее квантовых технологий
Работа исследователей, безусловно, является значительным достижением, подобным созданию сложного и точного инструмента. Ансамбль из 120 запутанных кубитов — это впечатляющая полифония квантового мира. Однако даже самая совершенная симфония требует безупречного исполнения. Хотя методы оценки верности шагнули вперёд, остаётся вопрос: достаточно ли они точны, чтобы обнаружить тончайшие искажения, которые могут предвещать сбой в будущем? Методы динамического подавления ошибок, безусловно, помогают «заглушить шум», но идеальным решением было бы не маскировать дефекты, а устранять их на фундаментальном уровне, улучшая сами кубиты и гейты.
Авторы блестяще продемонстрировали мастерство управления, но проблема масштабируемости по-прежнему остаётся главным вызовом. Каждый новый кубит, добавленный в систему, — это новая степень сложности, делающая всю конструкцию более хрупкой. Адаптивная компиляция — это разумная тактика, напоминающая настройку инструмента прямо во время концерта: она требует виртуозности и удачи. Истинный прорыв потребует не просто количественного увеличения кубитов, а качественно новых архитектурных решений и принципов управления ими.
В конечном счёте, данная работа — не конечная точка, а мощный импульс для дальнейших исследований. Истина, как и красивая мелодия, часто скрывается в деталях и в том, что остаётся за кадром. Задача учёных будущего — не только построить ещё более сложный аппарат, но и научиться «слышать» и понимать тончайшие нюансы квантовых состояний, извлекая из них новое знание и технологические возможности.
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2510.09520.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Больше интересных статей здесь: Производство.
Источник статьи: Симфония запутанности: 120 кубитов в гармонии квантового состояния.