Учёные обнаружили угрозу способную заморозить вычисления будущих квантовых компьютеров

Увеличение числа кубитов считается одним из главных направлений развития квантовых компьютеров, однако по мере роста таких систем может возникнуть фундаментальная проблема, о которой пока говорят значительно реже. Теоретическое исследование учёных из Центра имени Гельмгольца в Дрездене показало, что квантовый эффект Зенона способен резко замедлить работу некоторых квантовых компьютеров, а в худшем случае практически полностью остановить вычисления.

«В достаточно общих условиях мы обнаружили, что квантовый эффект Зенона создаёт серьёзные ограничения для производительности квантовых систем», — отмечают авторы исследования. По их мнению, речь идёт не о неисправности современных устройств, а о фундаментальной проблеме масштабирования, с которой разработчикам, возможно, придётся столкнуться при создании более крупных квантовых компьютеров.

Особенно важным этот эффект может оказаться для адиабатических квантовых компьютеров — класса систем, который активно исследуется для решения оптимизационных задач, поиска информации в огромных массивах данных и моделирования молекул.

Квантовый эффект Зенона считается одним из наиболее парадоксальных явлений квантовой механики. Он заключается в том, что частые измерения квантовой системы могут препятствовать её изменению и фактически «замораживать» её эволюцию. Это явление изучается экспериментально уже несколько десятилетий. Ранее исследователи в основном рассматривали его в изолированных лабораторных системах или как инструмент для намеренного управления квантовыми состояниями.

Учёные из Центра имени Гельмгольца в Дрездене решили изучить другой сценарий: что произойдёт, если квантовый компьютер столкнётся с эффектом Зенона непреднамеренно.

Адиабатические квантовые компьютеры работают иначе, чем системы, основанные на последовательном выполнении квантовых логических операций. «Их алгоритмы считаются устойчивыми и могут выполняться квантовыми компьютерами в значительной степени независимо от используемого оборудования», — рассказал один из авторов исследования, директор Института теоретической физики Центра имени Гельмгольца в Дрездене Ральф Шюцхольд.

Вместо последовательного выполнения отдельных операций адиабатический квантовый компьютер постепенно изменяет энергетический ландшафт системы, стараясь удерживать кубиты в состоянии с наименьшей энергией, которое называют основным состоянием. Если изменение происходит достаточно медленно, основное состояние системы постепенно эволюционирует в состояние, соответствующее решению поставленной задачи.

Чтобы изучить возможную проблему, исследователи создали теоретическую модель адиабатического квантового компьютера, взаимодействующего с реалистичной окружающей средой. На практике ни один квантовый процессор не может быть полностью изолирован. Даже внутри криогенных установок, где температура поддерживается всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, на кубиты продолжают воздействовать небольшие количества тепла, электромагнитное излучение и другие внешние факторы.

Такие взаимодействия вызывают декогеренцию — постепенное разрушение хрупких квантовых свойств, включая суперпозицию и квантовую запутанность, которые обеспечивают вычислительные возможности квантовых компьютеров. В результате окружающая среда фактически начинает вести себя как непреднамеренный измерительный прибор, постоянно «проверяющий» состояние кубитов, хотя никто не проводит измерения намеренно.

Исследователи проанализировали адиабатическую версию алгоритма поиска Гровера — известного квантового алгоритма, предназначенного для поиска в неупорядоченных базах данных. В определённых задачах он способен выполнять поиск значительно эффективнее классических методов.

В адиабатическом варианте алгоритм начинается с относительно простого квантового состояния, которое можно подготовить, после чего управляющий энергетический ландшафт системы, описываемый гамильтонианом, постепенно изменяется. В конечном итоге основное состояние должно соответствовать искомому решению. Если изменение происходит достаточно медленно, кубиты должны сохранять основное состояние на протяжении всего вычисления.

Однако расчёты показали, что увеличение размера задачи создаёт неожиданную уязвимость. По мере роста числа переменных минимальная энергетическая щель, разделяющая основное состояние и состояния с более высокой энергией, может становиться всё меньше.

Чем меньше разница энергий между состояниями, тем медленнее приходится проводить вычисление, чтобы сохранить адиабатический характер процесса. При этом вычисление занимает больше времени, а внешние возмущения продолжают воздействовать на систему примерно с той же частотой. В результате вероятность проявления квантового эффекта Зенона увеличивается.

«Каждое возмущение действует как нежелательное измерение, замедляя эволюцию системы. В худшем случае вычисление может даже полностью замереть», — пояснил один из авторов исследования, руководитель направления квантовых технологий Института теоретической физики Центра имени Гельмгольца в Дрездене Гернот Шаллер.

Исследователи сравнивают происходящее с выпеканием пирога. Если постоянно открывать дверцу духовки, чтобы проверить, как он поднимается, процесс приготовления нарушается, из-за чего пирог может перестать подниматься или даже опасть. Аналогичным образом повторяющиеся внешние возмущения постоянно прерывают естественную эволюцию квантового состояния, не позволяя ему достичь необходимого конечного состояния.

При этом учёные подчёркивают, что полученные результаты не означают существования одинакового ограничения для всех квантовых компьютеров. Исследование посвящено адиабатическим квантовым алгоритмам и связанным с ними подходам, включая квантовый отжиг, в которых вычисления зависят от постепенного прохождения через небольшие энергетические щели.

По мнению исследователей, теоретические результаты указывают на необходимость разработки новых подходов к созданию более устойчивых квантовых компьютеров. Одного лишь увеличения числа кубитов может оказаться недостаточно: по мере масштабирования систем потребуется одновременно улучшать защиту от внешних воздействий и совершенствовать методы управления квантовыми состояниями.

Потенциально проблему можно уменьшить за счёт более эффективной защиты от теплового воздействия и электромагнитных помех. Кроме того, исследователи рассматривают такие методы, как спиновое эхо, при котором используются точно рассчитанные импульсы для уменьшения взаимодействия кубитов с окружающей средой.

Работа носит теоретический характер, поэтому полученные выводы ещё предстоит проверить на реальных квантовых устройствах. Тем не менее результаты показывают, что при создании будущих масштабных квантовых компьютеров инженерам, возможно, придётся учитывать не только количество кубитов и уровень шума, но и риск того, что сама окружающая среда будет непреднамеренно «замораживать» вычисления.

Исследование опубликовано в журнале New Journal of Physics.