Как измерить квантовую систему, не потревожив кота? Ответ инженеров

99,61%. Именно с такой точностью команда инженеров из UNSW Sydney научилась определять квантовое состояние атома, не разрушая его. Это почти идеальный результат — и он достигнут за счёт того, что исследователи перестали «пугать кота».

Кот Шрёдингера, который не хочет выходить из комнаты

Знаменитый мысленный эксперимент с котом в коробке, придуманный Эрвином Шрёдингером, уже почти сто лет служит метафорой квантовой суперпозиции. Но теперь физики пошли дальше. Они поместили в кремниевый чип атом сурьмы — точнее, его ядро. Обычные кубиты имеют всего два состояния (0 и 1), а ядро сурьмы обладает целыми восемью. Это не просто запас прочности: восемь состояний позволяют закодировать больше информации и, что важнее, оставляют место для обнаружения и исправления ошибок.

Автор работы, профессор Андреа Морелло, объясняет задачу так: представьте тёмную шумную комнату, где в одной из восьми одинаковых коробок прячется кот. Входить в комнату нельзя — откроешь дверь, и кот умрёт. Как узнать, где он сидит, не причинив ему вреда? Именно эту головоломку квантовой метрологии решали учёные.

Водяные пистолеты вместо фонарика

Стандартный подход — попытаться «пощупать» каждую коробку, например, побрызгать на неё водой и прислушаться к возмущённому мяуканью. Но в шумной комнате легко ошибиться: принять помеху за мяу или пропустить настоящий сигнал. Чтобы повысить точность, обычно повторяют процедуру много раз и выбирают коробку, из которой донеслось больше всего мяу. Однако тут есть риск: если брызгать слишком часто, кот запаникует и перепрыгнет в другую коробку, спутав все карты. Измерение разрушает систему.

Именно эту проблему и решила команда Морелло. Они предложили кардинально другой сценарий: как только послышался первый мяу (это ваша первая догадка), немедленно прекращаем поливать все коробки и переключаемся на те, где кота, по вашему мнению, нет. Если из них не доносится ни звука — значит, догадка верна.

«Тишина может быть громкой. Отсутствие сигнала подтверждает присутствие сигнала в другом месте, не вступая с ним в прямое взаимодействие».

— Андреа Морелло, профессор UNSW Sydney

Как устроен «квантовый спринклер»

В реальном эксперименте роль водяного пистолета играет электрон. Его «пододвигают» к ядру сурьмы, а затем убирают — в зависимости от того, в каком состоянии находится ядерный спин. Это похоже на лёгкий толчок: если электрон коснулся атома, ядро может перескочить в другое состояние. Но из-за хитроумной стратегии электрон отрывается от атома всего один раз. Дальше проверяются только пустые состояния (те, где кота уже нет).

Ведущий автор Артьен Вартьес рассказывает, что этот адаптивный протокол позволил повысить уверенность в правильном определении состояния до 99,61% — при том что стандартный метод давал гораздо более скромные результаты. А время измерения сократилось в три раза. Результаты опубликованы в журнале PRX Quantum (DOI: 10.1103/jtn1-wzyl).

Почему это важно для квантовых компьютеров

Одна из главных проблем на пути к масштабным квантовым вычислителям — коррекция ошибок. Квантовые состояния крайне хрупки, любое измерение может их разрушить. До сих пор считалось, что для точного определения состояния нужно много раз повторять измерение, жертвуя временем и рискуя всё испортить. Новая работа показывает: можно извлечь больше информации, нанося меньше возмущений.

Профессор Морелло подчёркивает: стратегия подходит не только для атомов сурьмы в кремнии. Её можно применить к любым системам, где есть несколько квантовых состояний и вероятность ошибки при измерении: от полупроводниковых кубитов до фотонных и атомных архитектур. «Масштабируемый квантовый компьютер в конечном счёте зависит от того, насколько хорошо мы научимся находить кота в правильной коробке, не спугнув его», — говорит он.

Обычная пятница, чашка кофе и FPGA

Вартьес со смехом вспоминает, что для реализации протокола понадобились программируемая логическая матрица (FPGA), чашка кофе, команда толковых коллег и долгий пятничный вечер кодинга. За этой непринуждённостью стоит серьёзный прорыв: впервые удалось показать, что неразрушающее квантовое измерение можно проводить не за счёт увеличения числа попыток, а за счёт умной стратегии обратной связи.

Что дальше? Исследователи уже думают о том, как встроить этот протокол в «mid-circuit» измерения — те, что выполняются прямо во время квантовых вычислений, не дожидаясь окончания всех операций. Если это удастся, мы получим ещё один ключ к созданию квантовых компьютеров, способных решать реальные задачи: от моделирования химических реакций до оптимизации финансовых портфелей.

Так что в следующий раз, услышав про кота Шрёдингера, вспомните: главное — не спрашивать «жив он или мёртв?», а выяснить это, не потревожив его покой.