Физика

Квантовые эффекты помогают ученым во множестве сфер, но работать с ними не просто — степень определенности квантового мира концептуально отличается от того, что существует в классической физике. Чтобы подтвердить, что они работают с нужными квантовыми состояниями, физикам приходится постараться.

Основанные на квантовых эффектах устройства могут обрабатывать и хранить информацию лучше классических. Пока им доступно очень ограниченное количество задач, но ученые возлагают на квантовые вычисления большие надежды. Научные и коммерческие группы по всему миру постоянно работают над тем, чтобы сделать эти технологии вычислений доступными всем.

Одна из трудностей в работе с такими высокотехнологичными приборами — за ними сложно следить. Квантовые состояния не только требуют особой среды, низких температур и экзотических материалов, но и во многом существуют как «черный ящик». Далеко не всегда можно точно сказать, что происходит внутри кубита или квантово-запутанных частиц.

Один из подходов к подтверждению того, что ученые работают именно с нужным квантовым состоянием или измерением, называют самотестированием. Эта методика позволяет исследователям подтвердить свойства квантовой системы, анализируя только данные, которые прибор отдает на выход, не вникая в то, как она работает внутри.

Международная команда исследователей представила новую универсальную схему. Она может использоваться для самотестирования любого квантового состояния или измерения. Согласно их протоколу, устройство нужно поместить в простую звездообразную сеть. Центральный узел, через который проходят все коммуникации, связан с несколькими внешними узлами–лучами. После того, как ученые получают сигналы со всех выходов звезды, они могут проанализировать корреляции между ними и определить, согласуются ли они с теоретическими предсказаниями и, соответственно, сохранны ли квантовые состояния в системе. Протокол опубликован в статье в журнале Nature Physics.

Еще одна задача в области квантовой инженерии — определить, правильно ли прибор решает поставленную задачу. Прибору задают определенные вопросы, по ответам на которые ученые могут понять, что для вычислений использовались именно квантовые эффекты, что система не разрушена и работает так, как было задумано. При этом в идеальном случае оценка должна быть независимой — нужно второе устройство, квантовая система не должна оценивать сама себя.

Схема в форме звезды позволила этого добиться. Центральный узел может выполнять операции над сигналами, полученными от всех связей, в то время как внешние системы воздействуют только на свои собственные линии связи. Для верификации ученые используют семейство неравенств Белла, с помощью которых они сначала проверяют внешние узлы и их линии связи с центральным. Затем исследователи оценили результаты взаимодействий через центральный узел и на основе этого смогли сделать выводы о квантовых состояниях в схеме.

«В нашей работе мы доказали, что для каждого квантового состояния и измерения существует уникальный набор корреляций, позволяющий идентифицировать их независимым от устройств образом, то есть без какого-либо доверия к используемым устройствам. С прикладной точки зрения, мы предложили способ верификации любого устройства, подготавливающего квантовые состояния, а также любого измерительного устройства. Одновременно мы решаем открытую проблему: можно ли верифицировать смешанное состояние независимым от устройств способом — в стандартном сценарии Белла это невозможно», — рассказал профессор Ремигиуш Аугусяк (Remigiusz Augusiak).

Главное преимущество опубликованного протокола — универсальность. Звездообразная сеть уже экспериментально реализована с ограниченным числом внешних систем, и теперь ученые могут развивать концепцию для все более крупных сетей, включающих большее число квантово-запутанных систем.