"Размен" пространства на время: Физики взломали временной барьер квантовых измерений

Ученые из Бристольского университета и ряда других ведущих вузов предложили новый способ ускорения квантовых измерений, который может значительно повлиять на развитие квантовых технологий. В свежей публикации в Physical Review Letters они описали схему, позволяющую «обменивать» пространство на время: за счет использования дополнительных кубитов измерения можно проводить быстрее, не теряя точности, а иногда даже повышая ее.

Обычно для получения точных данных о состоянии кубита — то есть определить, находится ли он в состоянии 0 или 1 — требуется достаточно долгое измерение. Это критично, например, при коррекции ошибок в середине выполнения квантовой программы, где любая задержка может свести на нет усилия по обеспечению надежности вычислений. Проблема усугубляется тем, что длительные измерения увеличивают риск воздействия шума и потери когерентности.

Чтобы обойти эти ограничения, команда под руководством Кристофера Корлетта, профессора Ноа Линдена и доктора Пола Скшипчика разработала метод с привлечением так называемых вспомогательных (или анциллярных) кубитов. Они предложили копировать информацию с основного кубита на дополнительные кубиты с помощью элементарных логических операций (CNOT-гейтов), а затем измерять все кубиты одновременно, но за меньшее время. Например, вместо одного пятиминутного измерения можно измерить пять кубитов параллельно всего за минуту — и получить сопоставимую точность.

Исследователи объясняют свою идею с помощью простой аналогии. Представьте, что вам показывают два стакана воды, в одном из которых 100 мл, а в другом — 90 мл. Если у вас есть только секунда на осмотр, отличить их может быть трудно. Но если объемы увеличить до 200 и 180 мл, различие становится заметнее. Точно так же вспомогательные кубиты «усиливают» информацию, которую можно получить за короткое время.

Этот метод оказался не только быстрым, но и устойчивым к шуму. Даже в условиях реальных квантовых систем, где избежать ошибок полностью невозможно, новая схема демонстрирует значительное ускорение и даже превышает ожидаемое улучшение. В идеальных условиях исследователи зафиксировали строго линейный прирост скорости: в два раза больше кубитов — в два раза быстрее измерения. А при наличии шума ускорение иногда оказывалось даже выше.

Важно, что схема совместима с разными типами квантовых платформ — от сверхпроводников до ионов в ловушках и холодных атомов. Сейчас команда работает над адаптацией метода для конкретных систем, в первую очередь — для сверхпроводящих кубитов, которые активно развиваются в рамках промышленных квантовых проектов.

Сама идея обмена времени на ресурсы в виде дополнительных кубитов может сыграть ключевую роль в построении более быстрых и надежных квантовых вычислений — области, где каждое улучшение точности и скорости способно существенно приблизить появление масштабируемых квантовых компьютеров.