Nature Physics: Физикам впервые удалось воспроизвести квантовый хаос

Физиками найден метод моделирования квантового хаоса с помощью современных квантовых компьютеров, не дожидаясь полновесной коррекции ошибок. Командой специалистов проведена симуляция сложной квантовой динамики на 91-кубитном сверхпроводниковом процессоре, с использованием метода подавления ошибок в периоде обработки данных. Работу опубликовали в журнале Nature Physics.

Квантовый хаос призван изучать, как классические хаотические системы ведут себя в квантовом мире. Подобные задачи важны, чтобы глубже понимать свойств материалов, перенос энергии и информации, но при их моделировании возникают проблемы из-за пределов вычислительных ресурсов. Решением проблемы могла стать полноценная квантовая коррекция ошибок, но для её реализации требуется слишком много кубитов и сложное управление.

Исследователи пошли другим путём, сделав ставку на error mitigation — подавление ошибок. Данный подход считает допустимым присутствие шума в квантовом устройстве, а далее занимается коррекцией его влияния уже после выполнения вычислений. Основным инструментом стал недавно предложенный метод тензорно-сеточного подавления ошибок, позволяющий трансформировать действие шума на уровне традиционной постобработки данных.

Специалисты задействовали в моделировании особый класс квантовых схем — дуально-унитарные цепи. Их отличие в том, что квантовые вентили в них унитарны и во времени, и в пространстве. Подобные схемы способны очень быстро перемешивать квантовую информацию, придавая системе хаотичность, но и сохраняя возможности точного вычисления некоторых физических величин.

На данных схемах удалось реализовать квантовую версию «периодически возбуждаемой» модели Изинга как квантовой многотельной системы. Итоги эксперимента, полученные на квантовом процессоре, максимально коррелируют с аналитическими предсказаниями и классическими расчетами в режимах, где они еще возможны.

Важно, что в условиях масштабов, которые недоступны прямому классическому моделированию, квантовый процессор с подавлением ошибок давал физически осмысленные результаты. Учёные отмечают: методики моделирования в представлении Гейзенберга дали эффект заметно выше, чем расчеты в представлении Шрёдингера.

Авторы надеются, что их работа станет серьёзным шагом к тому, чтобы квантовые вычисления стали надежным научным инструментом уже сегодня, пока ещё далеко до создания полностью отказоустойчивых квантовых машин.