Квантовое преимущество достигает нового уровня: классическая задача, требующая 20 миллионов лет, выполняется за 15 минут

Исследователи продемонстрировали, что запутанный свет позволяет существенно сократить количество измерений, необходимых для обучения или характеристики квантовой системы с шумом. В ходе своих экспериментов фотонное устройство изучило поведение фотонной квантовой системы всего за 15 минут — операция, которая, по словам учёных, при использовании классического подхода заняла бы около 20 миллионов лет.

Технологии квантовых вычислений за последние годы достигли значительных успехов. Эти достижения позволили продемонстрировать, что они могут, как изначально и предполагалось, превосходить классические системы в решении конкретных задач — концепция, известная как «квантовое превосходство». Однако эти демонстрации в основном были сосредоточены на ускорении вычислений. Другими словами, реальное квантовое превосходство, применимое к любой классической системе, на данный момент остается труднодостижимым.

Одной из областей, в которой квантовое превосходство получить сложно, является характеристика или обучение физической системы — задача, которая часто возникает в науке и инженерии. Обычно эта характеристика выполняется с помощью повторных измерений, на основе которых можно количественно оценить шумы системы.

Однако для квантовых устройств эта процедура гораздо сложнее, в основном потому, что шумы являются неотъемлемой частью самих измерений. С другой стороны, количество измерений, необходимых для сложных систем, резко возрастает с увеличением размера квантовой системы. Это быстро делает классический подход к характеристике непрактичным или даже вовсе неприменимым.

Исследователи из Технического университета Дании (DTU) предлагают новый метод характеристики квантовых систем с использованием запутанного света. «Мы разработали управляемый процесс и задали простой вопрос: уменьшает ли запутанность количество измерений, необходимое для изучения такой системы? И ответ — да, и значительно», — пояснил в пресс-релизе Ульрик Лунд Андерсен, профессор факультета физики DTU и автор-корреспондент недавно опубликованного в журнале Science исследования.

Экономия измерений благодаря методу

Запутанность — это ключевая концепция квантовой механики, при которой фотоны оказываются так тесно связаны, что измерение одного мгновенно дает информацию о другом, независимо от расстояния между ними. Эксперимент датских исследователей заключался в использовании этой особенности для проведения измерений, необходимых для характеристики квантовой системы.

Для этого команда использовала оптические компоненты, работающие на длинах волн, обычно применяемых в телекоммуникациях. Если точнее, система состоит из оптического канала, в котором несколько световых импульсов имеют общую картину шумов. Затем два световых пучка были изолированы и сжаты таким образом, чтобы они стали запутанными. Один служит для зондирования системы, а другой — в качестве эталона. Совместное измерение позволяет сравнить их за один раз, что устраняет большую часть ошибок измерения и позволяет извлечь больше информации, чем было бы возможно при использовании классического подхода.

Благодаря новому методу измерений исследователи охарактеризовали поведение квантовой системы за 15 минут — операция, которая, по их словам, при использовании классического подхода заняла бы около 20 миллионов лет. По словам Андерсена, «это первое доказанное квантовое превосходство для фотонной системы». По мнению исследователей, измерительная система будет работать даже при обычных для подобных устройств потерях сигнала. Это означает, что выигрыш в измерениях проистекает из самого метода их проведения, а не из возможностей конкретного аппаратного обеспечения.

Однако, как отмечают исследователи, данный подход не был нацелен на какую-либо конкретную квантовую систему. Тем не менее, результаты подтверждают достижение цели, долгое время остававшейся желанной в области квантовых технологий. «Больше всего нас радует то, что мы наконец-то обнаружили квантовомеханическую систему, способную совершить то, что никакая классическая система совершить не сможет никогда», — заключает Йонас Ску Нергор-Нильсен, соавтор исследования и доцент физического факультета DTU.