Недавнее исследование показало, что внутри хрупкой архитектуры квантовых компьютеров тепло не всегда подчиняется правилам нашего привычного мира. Исследователи зафиксировали аномальный тепловой поток — случаи, когда тепло перемещается из более холодных областей в более горячие, что бросает вызов классическим законам термодинамики, управляющим макроскопической вселенной.
Исследовательская группа под руководством профессора Аабхааса Винита Маллика использовала метод, известный как измерение внутри цепи (mid-circuit measurement), чтобы наблюдать эти явления. Это открывает новый способ как понимания квантовой механики, так и повышения надежности квантовых машин будущего.
Квантовое преимущество: вентильные вычисления
Чтобы понять значимость этого открытия, необходимо сначала разграничить различные способы работы квантовых компьютеров. В то время как некоторые системы (например, от D-Wave) используют непрерывную эволюцию для решения специфических задач оптимизации, лидеры индустрии — включая IBM, Google и Microsoft — сосредоточены на вентильных (gate-based) квантовых вычислениях.
Вентильные системы считаются «универсальными». Они используют дискретные операции, называемые «вентилями», для манипулирования кубитами (квантовыми битами). В отличие от классических битов, которые строго принимают значение 0 или 1, кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции обоих состояний одновременно. Эта способность позволяет вентильным машинам потенциально решать задачи, не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам, такие как:
– Моделирование сложных молекулярных структур для медицины.
– Разработка новых высокотехнологичных материалов.
– Прогнозирование сворачивания белков для биологических исследований.
Парадокс измерения
В классическом мире измерение чего-либо — это пассивный акт; взгляд на термометр не меняет температуру в комнате. Однако в квантовом мире измерение является активным вмешательством. Сам акт наблюдения за кубитом принуждает его выйти из неопределенного состояния в определенное, неизбежно нарушая систему.
Это нарушение — палка о двух концах. С одной стороны, оно вносит ошибки, которые могут сорвать вычисления. С другой стороны, исследователи теперь используют измерение внутри цепи — проверку состояния кубитов во время вычисления, а не только в конце — для двух целей:
1. Исправление ошибок: Перехват ошибок до того, как они каскадом распространятся по всей системе.
2. Научное зондирование: Использование возмущений, вызванных измерением, для изучения поведения тепла на квантовом уровне.
Наблюдение «аномального» теплового потока
В классической термодинамике второй закон гласит, что тепло всегда течет от более горячего тела к более холодному. Однако исследователи обнаружили, что квантовые корреляции — тонкие неклассические связи между частицами — могут отменять это правило.
Тщательно спроектировав квантовые архитектуры, в которых ошибки от измерений внутри цепи минимальны, команда успешно зафиксировала аномальный квантовый тепловой поток. В этих случаях тепло, казалось, двигалось против температурного градиента.
«Нам удалось выявить класс архитектур квантовых компьютеров, где ошибка из-за измерений внутри цепи достаточно мала для однозначного наблюдения так называемого аномального квантового теплового потока», — отметил профессор Маллик.
Почему это важно для будущего технологий
Это не просто любопытный факт из области теоретической физики; это имеет глубокое значение для проектирования стабильных квантовых компьютеров.
- Создание надежных машин: Чтобы построить работающий компьютер, инженеры должны точно понимать, сколько «шума» и тепла генерируется самим актом измерения. Характеристика этого шума необходима для создания аппаратного обеспечения, способного функционировать без постоянных ошибок.
- Новый эталон «квантовости»: Исследование предполагает, что аномальный тепловой поток может служить лакмусовой бумажкой. Наблюдая, проявляет ли машина эти неклассические тепловые паттерны, ученые могут проверить, насколько устройство является по-настоящему «квантовым», отличая его от высокотехнологичного классического симулятора.
- Открытые данные: В то время как многие технологические гиганты держат свои исследования в области исправления ошибок в строгом секрете, данная работа предоставляет столь необходимые публичные данные, которые академические и государственные институты могут использовать для развития сверхпроводниковых квантовых технологий.
Взгляд в будущее
Исследовательская группа намерена масштабировать эти протоколы на более крупные и сложные системы и протестировать их на различных аппаратных архитектурах. По мере того как гонка за создание функционального квантового компьютера обостряется, способность обуздать — и понять — странные термодинамические правила субатомного мира станет ключом к переходу от экспериментальных прототипов к универсальным вычислительным мощностям.
Заключение: Наблюдая за тем, как тепло течет «в обратном направлении», ученые нашли способ использовать те самые возмущения, которые вызывают ошибки, в качестве инструмента для измерения и проверки мощности квантовых машин.
