Ученые научились предсказывать будущее квантовых систем

Ученые научились предсказывать и предотвращать декогеренцию в квантовых системах с помощью технологии машинного обучения. Теперь человечество стало на шаг ближе к созданию настоящего квантового компьютера. 

Строительный блок квантовой вычислительной машины — кубит. Уже получены системы из двух, шести и даже сотни атомов и ионов, играющих роль кубитов, но они существуют только в течение очень короткого времени, а затем распадаются.

Полноценный универсальный квантовый компьютер всего из 300 кубитов сможет обработать гугол байт информации одномоментно. Нет, не Google, а гугол, то есть десять в сотой степени байт (10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000). Чтобы построить обычный кремниевый компьютер, способный на то же самое, не хватит всей материи наблюдаемой Вселенной. Поэтому о квантовом компьютере (и других квантовых технологиях) мечтают все.

Проблема с кубитами заключается в том, что они подвержены непредсказуемому распаду — декогеренции. Ведущий автор исследования Мишель Ж. Бьеркук (Michael J. Biercuk) из Сиднейского университета сравнивает квантовую систему из запутанных между собой кубитов с привычным электронным устройством: «Вы с самого начала знаете, что оно рано или поздно выйдет из строя, но не знаете, какая именно его часть сделает это первой, и не знаете, когда. Только квантовые системы выходят из строя за доли секунды, а не за годы».

Чтобы научиться предсказывать момент распада и принимать профилактические меры, ученые использовали технологию машинного обучения, способную выделять алгоритмы и закономерности из большого объема данных. «Мы часто предсказываем события будущего — например, играя в теннис, игрок предсказывает, куда полетит мяч. Мы можем это сделать, потому что знаем, как работают силы, управляющие движением мяча», — объясняет Бьеркук.

Но природа квантовой запутанности — явления, на котором основано взаимодействие кубитов — физикам неизвестна, как неизвестны и ее законы. Пользуясь этим физическим явлением, мы не в состоянии предсказать его появление или исчезновение. В этом запутанность сродни магии (Эйнштейн называл ее «чудным взаимодействием на расстоянии»). Более того, попытка наблюдать за кубитами приводит к изменению их состояния и ломает всю систему. Поэтому физикам нужна была система, умеющая предвидеть, где и когда произойдет (напомним, совершенно непредсказуемая) декогеренция.

Имеющейся у физиков информации алгоритму хватило для того, чтобы научиться предсказывать поведение кубитов без непосредственного наблюдения за ними. Причем предсказания компьютера оказались настолько точными, что позволили предотвращать декогеренцию и поддерживать квантовую систему в «рабочем» состоянии.