Представьте, что вы выстраиваете сложную цепочку из костяшек домино, где каждая должна упасть идеально, чтобы запустить следующую. Цель — непрерывная цепная реакция, которая приводит к впечатляющему финальному результату.

Квантовые схемы работают по тому же принципу. Они состоят из множества небольших элементов, называемых («операциями»), которые взаимодействуют друг с другом для обработки информации. Если все работает правильно, эти элементы в совокупности дают мощный вычислительный результат.

Теперь представьте, что каждая доминошка в цепочке слегка неустойчива. В квантовых системах такая неустойчивость называется «шумом». Небольшое количество шума присутствует во всех физических системах, но в квантовых схемах он может накапливаться со временем и приводить к серьезным сбоям.

Шум ограничивает возможности квантовых вычислений

В связи с этим возникает важный вопрос. Если на каждый этап работы квантовой схемы влияет шум, имеет ли смысл создавать более длинные и сложные схемы? Квантовые схемы лежат в основе таких технологий, как квантовые компьютеры, которые, как ожидается, смогут решать задачи, недоступные для современных машин.

В новом теоретическом исследовании подробно рассматривается влияние шума на эти схемы. Результаты показывают, что шум накладывает удивительно строгие ограничения на глубину квантовой схемы, то есть на количество последовательных шагов. В то же время шум упрощает моделирование некоторых частей этих схем с помощью классических компьютеров.

Исследование провели Армандо Ангризани и Ихуэй Квек из Федеральной политехнической школы Лозанны, Антонио Анна Меле из Свободного университета Берлина и Даниэль Штильк Франса из Копенгагенского университета. Результаты исследования были опубликованы сегодня (2 апреля) в журнале Nature Physics.

Почему важны только последние слои

Чтобы понять, как влияет шум, исследователи изучили большие группы квантовых схем, состоящих из простых двухкубитных операций. Они смоделировали реалистичные условия, в которых каждый кубит подвергается воздействию шума после каждого шага, и проследили, как влияние каждого слоя распространяется по всей схеме.

Их анализ выявил поразительную закономерность. В большинстве зашумленных квантовых схем на результат оказывают существенное влияние только последние этапы. Даже если схема очень сложная, влияние предыдущих этапов постепенно сходит на нет по мере нарастания шума.

Возвращаясь к сравнению с домино, можно сказать, что конечный результат зависит только от нескольких последних костяшек в цепочке. Остальные костяшки тоже падают, но их вклад незначителен.

Это имеет практическое значение. Когда квантовый компьютер используется для оценки таких параметров, как энергия или состояние кубита, результат во многом определяется последними уровнями схемы. По мере накопления шума предыдущие операции фактически «стираются из памяти».

Почему зашумленные схемы все же работают

Исследование также помогает объяснить, почему зашумленные квантовые схемы все же можно настраивать или «обучать» для выполнения определенных задач. Изменение настроек схемы может повлиять на результат, но в основном это происходит потому, что последние слои остаются эффективными, в то время как предыдущие теряют свое влияние.

В результате глубокая нейронная сеть, подверженная влиянию шума, ведет себя почти так же, как неглубокая. Добавление новых слоев не обязательно повышает производительность, поскольку большинство этих дополнительных этапов уже не оказывают существенного влияния на результат.

Что это значит для будущих квантовых технологий

Эти открытия дают более четкое представление о том, чего реально могут достичь современные и перспективные квантовые машины. Простое увеличение количества этапов в схеме вряд ли откроет новые возможности для решения многих распространенных задач, особенно тех, которые связаны с локальными измерениями.

Вместо этого прогресс будет зависеть от снижения уровня шума или разработки схем, которые смогут эффективно работать, несмотря на него. Исследование также указывает на потенциальную проблему. Может показаться, что шумные схемы поддаются обучению, но отчасти это связано с тем, что шум уже снизил их общую сложность. Если относиться к шуму как к простому и безобидному эффекту, это может привести к чрезмерно оптимистичным ожиданиям в отношении производительности квантовых вычислений.