Исследователи Корнелльского университета обнаружили состояние «квантового спинового стекла» в квантовых вычислениях, что дает представление об исправлении ошибок и раскрывает скрытые инструкции в квантовых алгоритмах, что потенциально может привести к новым классификациям квантовых состояний и достижениям в области квантовых вычислений.
На микроскопическом уровне оконное стекло демонстрирует любопытное сочетание свойств. Его атомы неупорядочены, как жидкость, но обладают твердостью твердого тела; когда сила прикладывается к одному атому, она влияет на все остальные атомы. Физики используют эту метафору для описания квантового состояния, известного как «квантовое спиновое стекло», в котором квантово-механические биты (кубиты) в квантовых компьютерах демонстрируют как беспорядок (имеют, казалось бы, случайные значения), так и жесткость (когда один кубит переворачивается, то же самое делают и все остальные кубиты). Группа исследователей из Корнеллского университета случайно обнаружила существование этого квантового состояния во время работы над исследовательским проектом, направленным на дальнейшее понимание квантовых алгоритмов и связанных с ними новых стратегий исправления ошибок в квантовых вычислениях.
«Измерение положения квантовой частицы меняет ее импульс, и наоборот. Аналогично, для кубитов существуют величины, которые меняют друг друга при измерении. Мы обнаружили, что определенные случайные последовательности этих несовместимых измерений могут привести к образованию квантового спинового стекла», — сказал Эрих Мюллер, профессор физики в Колледже искусств и наук Корнелльского университета (A&S). «Одним из последствий нашей работы является то, что определенные типы информации автоматически защищаются с помощью квантовых алгоритмов, которые имеют общие характеристики с нашей моделью».
Исследование было недавно опубликовано в Physical Review B. Первым автором является Вайбхав Шарма, доктор философии. студент по физике.
Чаомин Цзянь, доцент кафедры физики, является соавтором Мюллера. Все трое занимаются исследованиями в Лаборатории атомной физики и физики твердого тела (LASSP) Корнеллского университета. Это исследование было поддержано грантом Фонда новых границ Колледжа искусств и наук.
«Мы пытаемся понять универсальные характеристики квантовых алгоритмов — характеристики, которые превосходят любой конкретный алгоритм», — сказал Шарма. «Наша стратегия раскрытия этих универсальных характеристик заключается в изучении стохастических алгоритмов. Мы обнаружили, что определенные классы алгоритмов приводят к скрытому порядку «спинового стекла». Сейчас мы ищем другие формы скрытого порядка и думаем, что это даст нам новую таксономию квантовых состояний».
Рандомизированный алгоритм — это алгоритм, который включает в себя некоторую степень случайности как часть алгоритма — например, использует случайные числа для принятия решения, что делать дальше.
Достижения в области квантовой коррекции ошибок
Предложение Мюллера по гранту «Новые рубежи» на 2021 год «Коррекция ошибок автономной квантовой подсистемы» направлено на упрощение архитектуры квантового компьютера путем разработки новой стратегии исправления ошибок квантового процессора, вызванных шумом окружающей среды — чем-то вроде космических лучей или магнитных полей, которые мешают кубитам квантового компьютера, искажая информацию.
Мюллер сказал, что биты в классических компьютерных системах защищены кодами, исправляющими ошибки; информация копируется так, что если бит «перевернется», вы сможете это обнаружить и исправить ошибку. «Чтобы квантовые вычисления работали сейчас и в будущем, нам необходимо найти способы одинаково защитить кубиты. Ключом к исправлению ошибок является избыточность. Если я отправлю три копии бита, вы сможете определить, есть ли ошибка, сравнив биты друг с другом. Мы заимствуем язык криптографии, чтобы говорить об этой стратегии, и называем повторяющиеся наборы битов «шифрами».
Когда Мюллер и его команда открыли порядок спинового стекла, они работали над общим подходом к использованию нескольких закодированных слов для представления одной и той же информации. Например, в коде одной подсистемы бит «1» может храниться четырьмя разными способами: 111, 100, 101 и 001. Дополнительные степени свободы в коде квантовой подсистемы упрощают процесс обнаружения и исправления ошибок.
Исследователи подчеркнули, что, когда они начали это исследование, они не просто пытались создать лучшую схему защиты от ошибок. Вместо этого они изучают стохастические алгоритмы, чтобы понять общие свойства всех таких алгоритмов.
«Интересно, что мы обнаружили необычные структуры», — сказал Мюллер. «Самым поразительным является наличие порядка спинового стекла, который предполагает наличие некоторой дополнительной скрытой информации, которую следует каким-то образом использовать в расчетах, хотя мы пока не знаем, как это сделать».
Ссылка Вайбхав Шарма, Чао-Минг Цзянь и Эрих Дж. Мюллер, 31 июля 2023 г., Physical Review B, «Симметрия подсистемы, порядок спинового стекла и критичность стохастических измерений в двумерных схемах Бекена-Шоу».
DOI:10.1103/PhysRevB.108.024205
Источник составления: ScitechDaily.