Физики проследили фазовый переход магии в квантовой системе

Стабилизаторные состояния — класс квантовых состояний, поддающийся эффективному моделированию на классических компьютерах. Свойство «магии» в квантовой механике — характеристика квантовых состояний, описывающая степень их отклонения от стабилизаторных состояний. 

Магия делает квантовые состояния трудными для моделирования, но в то же время необходима для реализации универсальных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Понимание отвечающих за это свойств механизмов значительно улучшит характеристики квантовых компьютеров.

Авторы нового исследования ранее опубликовали статью, в которой показали существование фазового перехода в запутанности системы. Они выявили, что в зависимости от частоты измерений фазовое состояние квантовой системы может сохранять или разрушать запутанность. 

«Суперпозиции и запутанности оказывается недостаточно, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем классические. Чтобы достичь преимущества, необходим еще один компонент — магия, или отклонение от стабилизаторного состояния. Если в квантовой системе нет магии, ее можно смоделировать на классическом компьютере, но это делает квантовый компьютер избыточным. Лишь при наличии значительного количества магии можно превзойти возможности классического компьютера», — объяснил Прадип Нироула (Pradeep Niroula), первый автор новой научной работы.

Квантовый вентиль, родственник логического вентиля в классических компьютерах, воздействует на кубиты и стремится создавать запутанность между ними, тогда как измерение одного из этих кубитов разрушает ее. Если добавить в квантовую схему несколько вентилей, можно проводить измерения в случайных местах и контролировать распределение запутанности в системе.

Ученые знают, что при малом количестве измерений вся квантовая система оказывается запутанной. Напротив, при слишком частых измерениях запутанность подавляется. Если же постепенно увеличивать частоту измерений, запутанность резко совершает фазовый переход от высокой к почти нулевой.

На этот раз ученые исследовали, существует ли фазовый переход в магии. Им удалось показать, что код, предназначенный для защиты квантовой информации от ошибок, с точки зрения магии демонстрирует явный фазовый переход из состояния «есть магия» в состояние «нет магии» без промежуточных этапов. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Измерения также уничтожают магию, но для ее контролируемого добавления в систему необходимо выполнять малые изменения состояния кубитов. Изменения квантового состояния кубита называют поворотом, потому что оно теоретически описывается в трехмерной системе координат.

Физики использовали схему управления магией в случайном стабилизаторном коде через когерентные ошибки. Такие ошибки предсказуемы, постоянны и являются последствием эволюции квантовых состояний. 

В эксперименте измерения в некоторых случаях уничтожали магию, возвращая состояния к стабилизаторным, а иногда оставляли магию неизменной. Конкурирующими силами в квантовых компьютерах оказались «количество измерений» и «угол вращения кубитов».

Ученые обнаружили, что при фиксированной скорости проведения измерений можно изменить угол вращения и перейти из фазы с высокой концентрацией магии в фазу без нее вообще. Авторы научной работы провели серию численных симуляций и показали, что фазовый переход магии действительно происходит, а затем проверили эту гипотезу экспериментально, используя реальные квантовые схемы. Эксперименты подтвердили симуляции.

«Мы наблюдали признак фазового перехода даже на фоне шума в системе. Наша работа открывает фазовый переход в магии. В прошлых исследованиях уже были обнаружены другие переходы в запутанности и зарядах, что поднимает вопрос: могут ли и другие ресурсы демонстрировать аналогичные переходы? Относятся ли они к какому-то универсальному типу переходов? Можем ли мы применить это знание для создания устойчивых к помехам квантовых компьютеров?» — отметил Неурула.

Наличие перехода может указывать на существование более общей теории, применимой к разным квантовым свойствам.