Fizycy próbowali określić skalowalność przejścia fazowego makroskopowego układu kwantowego podczas jego pomiaru, wykorzystując komputer kwantowy firmy Quantinuum model H1 oraz 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 tymi wnioskami na łamach Physical Review X.
Podczas pomiaru pojedynczego obiektu kwantowego (na przykład spinu atomu) jego superpozycja dość płynnie zapada się w jedną konkretną wartość wartości obserwowanej, co oznacza, że pomiar, który otrzymuje tylko niewielką część informacji o wartości obserwowanej, prawie nie zaburza układu kwantowego. Jeżeli mierzy się makroskopowy układ kwantowy (wykazujący własności kwantowe w skali makroskopowej), to przy pewnej krytycznej wartości miary oddziaływania z urządzeniem pomiarowym następuje gwałtowny kolaps, objawiający się w postaci przejścia fazowego (measurement-induced phase transition — MIPT).
Z punktu widzenia mechaniki kwantowej jednym z najważniejszych pytań jest to, gdzie przebiega granica między mikroskopowymi i makroskopowymi układami kwantowymi. Głębokie zrozumienie procesu MIPT byłoby tutaj przydatne, jednakże takiego załamania systemu nie da się modelować wyłącznie klasycznymi metodami, 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 firmy Quntinuum model H1 z 20 kubitami bazujące na jonach 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.