Учёные разработали метод, который позволяет обнаруживать неисправные квантовые процессоры ещё до их использования
Исследователи предложили новый способ проверки квантового оборудования, который позволяет убедиться в правильной работе его ключевых компонентов ещё до начала эксплуатации. Новый метод не требует знания внутреннего устройства квантового процессора и способен независимо подтвердить, что квантовые логические элементы работают именно так, как заявляет производитель.
Автором исследования стал постдокторант Гданьского университета Шубхаян Саркар. По его словам, работа решает одну из самых сложных проблем современной квантовой информатики и в будущем может сделать квантовые компьютеры значительно более надёжными.
Квантовые вычисления давно сталкиваются с фундаментальным парадоксом. Если квантовый компьютер однажды сможет решать задачи, недоступные даже самым мощным классическим суперкомпьютерам, то возникает вопрос, как проверить правильность полученного результата.
Однако проблема заключается не только в проверке ответа. Учёным необходимо быть уверенными, что само квантовое оборудование действительно работает так, как должно, а не выдаёт ошибочные результаты из-за неисправностей или особенностей конструкции.
«Квантовые компьютеры представляют принципиально иную проблему. Поскольку ожидается, что они будут решать задачи, недоступные классическим компьютерам, эффективного классического способа проверить их работу может просто не существовать», — объяснил Шубхаян Саркар.
Новый метод основан на более ранних исследованиях, посвящённых так называемому самотестированию квантовых состояний. В его основе лежит явление квантовой нелокальности — одного из самых необычных эффектов квантовой физики, экспериментальное подтверждение которого было отмечено Нобелевской премией по физике в 2022 году.
Квантовая нелокальность позволяет удалённым квантовым системам демонстрировать взаимосвязи, которые невозможно объяснить законами классической физики. Анализируя эти статистические корреляции, учёные могут убедиться, что система действительно является квантовой, не разбирая её и не изучая внутреннее устройство.
Ранее Саркар и его коллеги уже разработали методику, позволяющую таким образом проверять квантовые состояния и измерения. В новой работе они распространили этот подход на квантовые операции — прежде всего на так называемые унитарные квантовые вентили.
Унитарный вентиль представляет собой математическую операцию, которая изменяет квантовую информацию, сохраняя её. Именно такие элементы являются основными «кирпичиками», из которых строятся современные квантовые процессоры.
По словам исследователя, если удаётся проверить работу унитарных вентилей, то фактически можно подтвердить исправность базовых компонентов квантового компьютера.
Для этого учёный предложил использовать специальную сеть звездообразной структуры. В её центре располагается основной узел, соединённый с несколькими внешними узлами, а между ними находятся проверяемые квантовые вентили, которые можно временно включать и отключать.
Сначала исследователи отключают вентиль и проверяют остальные элементы сети с помощью специальных математических тестов, известных как неравенства Белла. Эти проверки позволяют подтвердить, что все остальные части системы действительно демонстрируют квантовое поведение.
После этого вентиль снова включается. Поскольку остальные элементы уже прошли проверку, учёные могут по возникающим статистическим корреляциям определить, правильно ли работает сам квантовый логический элемент.
При этом все необходимые данные собираются в ходе одного эксперимента, после чего анализируются совместно. Такой подход позволяет одновременно проверить работу всей системы.
Исследователи предложили две версии своего метода. Более простая схема получила название «почти независимой от устройства». Она позволяет проверять практически любые унитарные квантовые вентили при условии, что их работа не выводит квантовые состояния за пределы исходного математического пространства.
Вторая версия полностью независима от устройства и считается более строгой. Однако для её реализации требуется значительно более сложная квантовая сеть с дополнительными каналами квантовой телепортации, которые также необходимо предварительно проверить.
Одним из важнейших результатов исследования стало доказательство того, что каждая квантовая операция оставляет собственный уникальный статистический след. Учёные сравнивают его с отпечатком пальца: по характерным корреляциям можно определить, какой именно квантовый вентиль выполнил операцию.
Это означает, что исследователи смогут подтвердить работу конкретного элемента квантового процессора, даже не имея доступа к его внутреннему устройству. Исключение составляют лишь некоторые фундаментальные неоднозначности, которые невозможно устранить экспериментально.
Авторы работы считают, что подобная технология окажется особенно полезной для стран и организаций, не производящих собственные квантовые процессоры. Вместо того чтобы полностью доверять заявлениям поставщиков, они смогут самостоятельно убедиться в корректной работе импортированного оборудования.
Пока новая методика остаётся теоретической разработкой и ещё не испытывалась на полноценных квантовых компьютерах. Хотя небольшие квантовые сети подобной архитектуры уже создавались в лабораториях, весь предложенный протокол пока существует лишь в виде доказательства принципа.
Кроме того, метод требует проведения большого количества тестов Белла и основывается на предположении о независимости различных квантовых источников, что может осложнить его практическое применение.
Тем не менее значение работы может оказаться весьма серьёзным. По мере того как государства и технологические компании инвестируют миллиарды долларов в развитие квантовых вычислений, вопросы проверки, прозрачности и доверия к новым устройствам становятся всё более важными.
Исследователь надеется сделать свою методику более практичной, сократив число необходимых проверок и адаптировав её для работы в условиях реальных помех. В будущем он также планирует приспособить протокол для облачных квантовых платформ, включая сервисы IBM Quantum, чтобы пользователи могли самостоятельно проверять корректность работы удалённых квантовых компьютеров без необходимости полностью доверять их владельцам.
По мнению автора исследования, подобные методы не только помогут объективно оценивать возможности квантовых вычислительных систем, но и повысят доверие общества к одной из самых перспективных технологий будущего.
Исследование в журнале Physical Review Letters.