Nature Physics: 91-кубитный процессор смоделировал квантовый хаос

Физики нашли способ моделировать квантовый хаос на современных квантовых компьютерах, не дожидаясь появления полноценной коррекции ошибок. Команда ученых провела симуляцию сложной квантовой динамики на 91-кубитном сверхпроводниковом процессоре, используя методы подавления ошибок на этапе обработки данных. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Квантовый хаос изучает, как хаотические классические системы ведут себя в квантовом мире. Такие задачи важны для понимания свойств материалов, переноса энергии и информации, но их моделирование быстро упирается в пределы вычислительных ресурсов. Полноценная квантовая коррекция ошибок могла бы решить проблему, однако она требует слишком большого числа кубитов и сложного управления.

Вместо этого исследователи сделали ставку на так называемую error mitigation — подавление ошибок. Этот подход допускает наличие шума в квантовом устройстве, а затем корректирует его влияние уже после выполнения вычислений. Ключевым инструментом стала недавно предложенная методика тензорно-сеточного подавления ошибок, которая позволяет "инвертировать" действие шума на уровне классической постобработки данных.

Для моделирования ученые использовали особый класс квантовых схем — дуально-унитарные цепи. Их особенность в том, что квантовые вентили в них унитарны как во времени, так и в пространстве. Такие схемы чрезвычайно быстро перемешивают квантовую информацию, что делает систему хаотичной, но при этом сохраняется возможность точно вычислять некоторые физические величины.

На этих схемах была реализована квантовая версия "периодически возбуждаемой" модели Изинга — стандартного примера квантовой многотельной системы. Экспериментальные результаты, полученные на квантовом процессоре, с высокой точностью совпали с аналитическими предсказаниями и продвинутыми классическими расчетами в тех режимах, где они еще возможны.

Особенно важно, что при масштабах, недоступных прямому классическому моделированию, квантовый процессор с подавлением ошибок продолжал давать физически осмысленные результаты. При этом методы моделирования в так называемом представлении Гейзенберга оказались значительно эффективнее классических, чем расчеты в представлении Шрёдингера, которые быстро становятся вычислительно неподъемными.

Авторы подчеркнули, что их работа открывает путь к использованию "докоррекционных" квантовых компьютеров для изучения квантового хаоса, переноса и локализации в материалах. Это важный шаг к тому, чтобы квантовые вычисления стали надежным научным инструментом уже на нынешнем этапе развития технологий — задолго до появления полностью отказоустойчивых квантовых машин.