Fizycy próbowali określić skalowalność przejścia fazowego makroskopowego układu kwantowego podczas jego pomiaru, wykorzystując komputer kwantowy firmy Quantinuum model H1 i trzy różne dekodery do przewidywania projekcji stanu. Okazało się, że układ dziesięciokubitowy znajduje się na granicy skali mikro i makroskopowej układów kwantowych. Naukowcy podzielili się tym wnioskiem w Physical Review X.
Podczas pomiaru pojedynczego obiektu kwantowego (np. spinu atomowego) jego stan superpozycji zapada się dość płynnie w jedną konkretną wartość obserwowanej wartości, czyli pomiar, który otrzymuje tylko niewielką część informacji o obserwowanej wartości, prawie nie zakłóca układ kwantowy. Jeśli mierzy się makroskopowy układ kwantowy (który w skali makroskopowej wykazuje właściwości kwantowe), to przy pewnej wartości krytycznej miary oddziaływania z aparaturą pomiarową następuje gwałtowne załamanie, objawiające się przejściem fazowym (pomiar- indukowane przejście fazowe – MIPT).
Z punktu widzenia mechaniki kwantowej jednym z najważniejszych pytań jest to, gdzie przebiega granica pomiędzy mikroskopijnymi i makroskopowymi układami kwantowymi. Przydałoby się tu głębokie zrozumienie procesu MIPT, jednak takiego załamania układu nie można modelować wyłącznie metodami klasycznymi, gdyż wymaga to późniejszej selekcji wielu kopii stanu z wykładniczo rosnącej liczby iteracji obliczeniowych.
Utkarsh Agrawal (Utkarsh Agrawal) z Uniwersytetu Kalifornijskiego wraz z kolegami z Kanady i Stanów Zjednoczonych wykorzystał urządzenie kwantowe Quantinuum model H1 z 20 kubitami na bazie jonów iterbu, aby określić skalowalność procesu MIPT.
Ученые закодировали начальное состояние кубитов, оставив его неизвестным для воображаемого стороннего наблюдателя — Евы. Сама Ева попыталась предсказать результат коллапса квантовой системы ионов, зная лишь результаты измерений, которые слабо возмутили систему, и используя три различных алгоритма расшифровки. Первый — пост-BQP, который основан на точном моделировании квантовой динамики, но требует экспоненциальных ресурсов даже на квантовом вычислителе, поэтому больше подходит для определения промежуточных результатов. Второй — дешифратор на основе классических методов статистической механики, работающий в узком диапазоне граничных условий для квантовой системы. И наконец, рекуррентный нейросетевой декодер, обученный для того, чтобы узнавать особенности квантовой системы, которые может проигнорировать второй метод расшифровки. С помощью этих алгоритмов Ева оценила вероятность того, что начальное состояние квантовой системы было Q, зная результаты промежуточных измерений M, которые предоставили лишь малую часть информации. Ученые сравнили предсказания Евы, а также их точность, с результатами, полученными на квантовом вычислителе после 300 итераций эксперимента при размере исследуемой системы в 6, 10 и 14 кубитов.
В итоге физики увидели, что при размере системы 14 кубитов все декодеры гораздо лучше предсказали исход эксперимента по сравнению с системой на шести кубитах, а размер системы в 10 кубитов, как предположили ученые, оказался той самой границей между микро- и макроскопическими масштабами. Также исследователи выяснили, что декодер пост-BQP по точности прогнозов значительно превзошел все остальные, а нейросетевой дешифровщик занял промежуточное положение в этом рейтинге, но предсказал результаты без постселекции и, соответственно, дополнительных вычислительных расходов.
Авторы работы отметили, что предложенные ими методы исследования можно легко адаптировать к более широкому кругу моделей квантовых вычислителей. При этом точное определение, какие именно фазовые переходы можно наблюдать с помощью классических или квантовых декодирующих вычислений, остается важной задачей, требующей дополнительного глубокого изучения.
О том, как физики из компании Quantinuum смоделировали неабелевы энионы на квантовых компьютерах, мы писали ранее.