Автор: Денис Аветисян
Ученые провели воспроизводимый эксперимент на квантовом оборудовании IBM, моделирующий парадокс Вигнера, чтобы оценить возможности обнаружения межветвенной коммуникации.
Исследование представляет собой базовый уровень для тестирования не-унитарной физики и валидации диагностических инструментов для оценки когерентности в квантовых системах.
Парадокс измерения в квантовой механике ставит под вопрос объективность реальности и требует новых подходов к проверке фундаментальных принципов. В статье ‘Wigner’s Friend as a Circuit: Inter-Branch Communication Witness Benchmarks on Superconducting Quantum Hardware’ представлен экспериментальный протокол, реализующий схему, имитирующую парадокс Вигнера как квантовую цепь на сверхпроводящем оборудовании IBM Quantum. Достигнута воспроизводимость оценки межветвящихся корреляций, демонстрирующая видимость 0.877 и свидетельства когерентности, что позволяет калибровать влияние шумов устройства. Не откроет ли данная методика путь к более глубокому пониманию не-унитарной физики и разработке эффективных методов смягчения ошибок в квантовых вычислениях?
Фундаментальные ограничения унитарной эволюции
В основе стандартной квантовой механики лежит принцип унитарной эволюции, предполагающий, что состояние квантовой системы изменяется предсказуемым и однозначным образом во времени. Это означает, что если известна начальная волновая функция системы |\psi(t_0)\rangle, то её состояние в любой последующий момент времени |\psi(t)\rangle может быть точно вычислено с помощью унитарного оператора эволюции. Унитарность гарантирует сохранение вероятности и позволяет предсказывать результаты измерений с высокой точностью. Данный принцип является краеугольным камнем в понимании динамики микромира и используется в расчетах, описывающих поведение атомов, молекул и элементарных частиц. Именно благодаря унитарной эволюции квантовая механика способна давать столь точные предсказания, которые подтверждаются многочисленными экспериментами.
Реальные квантовые системы никогда не существуют в полной изоляции; они неизбежно взаимодействуют с окружающей средой, что приводит к явлению, известному как декогеренция. Это взаимодействие представляет собой постоянный обмен энергией и информацией между системой и ее окружением, что разрушает квантовую когерентность — ключевое свойство, позволяющее квантовым системам демонстрировать эффекты суперпозиции и запутанности. По сути, декогеренция заставляет квантовую систему вести себя все больше и больше как классическая, теряя способность к параллельной обработке информации и приводя к коллапсу волновой функции. Степень декогеренции зависит от силы взаимодействия системы с окружением и от времени, в течение которого происходит взаимодействие, что делает контроль над окружающей средой критически важным для реализации надежных квантовых технологий.
Взаимодействие квантовой системы с окружающей средой неизбежно приводит к отклонениям от унитарной эволюции, ставя под вопрос полноту унитарного описания реальности. Изначально предполагалось, что унитарная эволюция — фундаментальный принцип, определяющий предсказуемое изменение квантового состояния. Однако, реальные квантовые системы никогда не бывают полностью изолированы; постоянное взаимодействие с окружением вызывает декогеренцию — потерю квантовой когерентности и, как следствие, переход к не-унитарному поведению. Это означает, что эволюция состояния системы больше не может быть описана унитарным оператором, сохраняющим вероятность. Исследование этих не-унитарных процессов необходимо для точного моделирования квантовых систем и разработки надежных квантовых технологий, поскольку игнорирование влияния окружающей среды может привести к существенным ошибкам в расчетах и, в конечном итоге, к неработоспособности устройств.
Для создания надежных квантовых технологий необходимо глубокое понимание и точная характеристика отклонений от унитарной эволюции. В реальности квантовые системы никогда не бывают полностью изолированными, постоянно взаимодействуя с окружающей средой, что приводит к декогеренции и, как следствие, к отклонениям от предсказуемого унитарного поведения. Игнорирование этих не-унитарных эффектов может привести к серьезным ошибкам в квантовых вычислениях и коммуникациях. Поэтому, исследования, направленные на моделирование и компенсацию этих отклонений, например, посредством разработки более устойчивых квантовых кодов или методов динамической коррекции ошибок, имеют первостепенное значение. Детальное изучение механизмов, вызывающих эти отклонения, позволяет создавать квантовые устройства, менее чувствительные к шуму и более способные поддерживать когерентность, что является ключевым требованием для успешной реализации квантовых технологий.
Реализация схемы передачи ветвей для контроля квантового состояния
Разработанная схема передачи ветвей (Branch-Transfer Circuit) представляет собой пятикубитный квантовый цепь, предназначенную для обеспечения взаимодействия между различными ветвями квантовой суперпозиции. Данная архитектура позволяет направленно переносить квантовую информацию между этими ветвями, эффективно создавая управляемый канал связи внутри суперпозиционного состояния. Цепь реализована таким образом, чтобы обеспечить возможность выборочного воздействия на отдельные ветви суперпозиции, что критически важно для реализации сложных квантовых алгоритмов и проведения точных измерений. В основе конструкции лежит использование контролируемых квантовых операций, позволяющих переключать и направлять состояние кубитов между различными ветвями, реализуя тем самым управляемое взаимодействие между ними.
Разработанная схема, реализованная с использованием Qiskit, обеспечивает контролируемое выполнение и манипулирование квантовыми состояниями посредством последовательности квантовых гейтов, определенных в программном коде. Qiskit позволяет точно задавать параметры каждого гейта, включая углы поворота и целевые кубиты, что дает возможность осуществлять точное управление эволюцией квантового состояния. Эта контролируемость является ключевой для выполнения квантовых алгоритмов и экспериментов, требующих точного контроля над состоянием кубитов, а также для исследования влияния различных параметров на квантовую систему.
Архитектура разработанной схемы особенно подходит для исследования эффектов не-унитарной динамики и выявления отклонений от идеальной унитарной эволюции. Конструкция схемы позволяет создавать контролируемые состояния, чувствительные к процессам, нарушающим сохранение вероятности, что является ключевым аспектом при изучении декогеренции и других не-унитарных явлений. В частности, разработанная схема позволяет измерять вероятность перехода между различными состояниями, вызванными не-унитарными процессами, и количественно оценивать степень отклонения от идеальной унитарной эволюции, что позволяет характеризовать и моделировать источники шума в квантной системе. Анализ результатов, полученных при реализации схемы на квантовом оборудовании, предоставляет данные для проверки теоретических моделей не-унитарной динамики.
Для сбора экспериментальных данных, разработанная схема была выполнена на квантовом оборудовании IBM. В ходе экспериментов использовалось 20 000 измерений (shots) для каждой реализации схемы, что позволило получить статистически значимый набор данных для последующего анализа. Такое количество измерений необходимо для точного определения вероятностей различных состояний кубитов и верификации корректности функционирования схемы, а также для выявления возможных отклонений от идеальной квантовой эволюции, вызванных шумами и несовершенством аппаратного обеспечения.
Валидация производительности схемы с использованием моделирования шума и базовой диагностики
Для моделирования реалистичных условий шума применялось бэкэнд-совмещенное шумовое моделирование, использующее данные, полученные с бэкенда IBM_fez. Этот подход включал в себя использование характеристик шума, специфичных для конкретного оборудования IBM_fez, таких как параметры декогеренции и ошибки гейтов. Использование данных реального оборудования позволило создать более точную модель шума, чем использование теоретических или упрощенных моделей, что критически важно для валидации производительности схемы и предсказания её поведения в реальных условиях. Полученная модель шума затем применялась в симуляциях для оценки устойчивости и надежности квантовых схем.
Проведение моделирования позволило сопоставить теоретические предсказания с результатами, полученными в ходе экспериментов, для подтверждения корректности работы схемы. Сравнение включало анализ расхождений между смоделированными и экспериментальными данными, что позволило оценить влияние различных факторов, таких как шум и несовершенство элементов, на производительность схемы. Соответствие между предсказанными и наблюдаемыми результатами служило подтверждением адекватности модели и, следовательно, валидацией функциональности разработанной схемы в реальных условиях.
Измерения видимости VV использовались в качестве базовой диагностики для количественной оценки популяционной когерентности. В ходе экспериментов было получено значение когерентности, равное 0.8771. Данный показатель характеризует степень сохранения фазовой информации в квантовой системе и служит отправной точкой для оценки влияния не-унитарных эффектов и других источников декогеренции. Высокое значение видимости VV указывает на эффективную подготовку и поддержание квантовых состояний, что критически важно для точной работы квантовых схем.
Измерения когерентных свидетелей, основанные на корреляторах Паули, были проведены для обнаружения внедиагональной когерентности и оценки влияния не-унитарных эффектов. Данный метод позволяет детектировать потери когерентности, которые не обнаруживаются стандартными измерениями, такими как T_1 и T_2. Использование корреляторов Паули, в частности, позволяет оценить величину и характер не-унитарности, вызванной, например, шумом или несовершенством управляющих импульсов. Анализ полученных данных позволяет более точно характеризовать квантовое состояние и выявлять источники декогерентности, что критически важно для повышения надежности квантовых вычислений.
Ограничение не-унитарной динамики и последствия для квантического управления
Для анализа отклонений от чисто унитарной эволюции была применена методика — «Конвейер ограничений на не-унитарные каналы». В рамках этой процедуры, экспериментально измеренные значения «свидетелей» — наблюдаемых, чувствительных к не-унитарности — сопоставлялись с теоретическими предсказаниями, основанными на различных моделях не-унитарного поведения. Сравнение позволило выявить расхождения между предсказаниями и наблюдениями, что указывает на наличие не-унитарных эффектов в исследуемой системе. Точность сопоставления и величина обнаруженных отклонений дают возможность судить о природе и масштабе влияния не-унитарных каналов на динамику системы, а также служат основой для дальнейшей разработки более точных теоретических моделей и стратегий контроля над квантовыми процессами.
Анализ, проведенный с использованием конвейера ограничений на не-унитарные каналы, выявил наличие не-унитарных эффектов в исследуемой системе. Это означает, что эволюция системы отклоняется от предсказаний, основанных исключительно на унитарной динамике. Наблюдаемые отклонения указывают на то, что взаимодействие системы с окружающей средой оказывает существенное влияние на ее квантовое состояние, приводя к потере когерентности и изменению вероятностей различных состояний. Подобные эффекты являются фундаментальными для понимания процессов декогеренции, которые представляют собой серьезную проблему для реализации надежных квантовых вычислений и передачи информации. Выявление и количественная оценка не-унитарных эффектов — важный шаг к разработке эффективных стратегий контроля и смягчения последствий декогеренции, что необходимо для создания устойчивых квантовых технологий.
Измеренная величина когерентности (Cmag), равная 1.17, согласуется с предположением об унитарной эволюции системы, учитывая присутствие шумов, возникающих в используемом оборудовании. Этот результат указывает на то, что наблюдаемые отклонения от идеальной унитарности могут быть объяснены не фундаментальными нарушениями унитарности, а скорее влиянием случайных флуктуаций и погрешностей, характерных для реальных квантовых устройств. В частности, величина Cmag, близкая к единице, свидетельствует о том, что большая часть эволюции системы происходит в соответствии с законами квантовой механики, а незначительные расхождения могут быть учтены при калибровке и коррекции ошибок, что важно для повышения стабильности и точности квантовых вычислений и контроля.
Наблюдаемые динамические процессы демонстрируют значительное влияние внешних взаимодействий и эффектов декогеренции. Исследования показывают, что окружение оказывает существенное воздействие на эволюцию квантовой системы, приводя к отклонениям от чисто унитарного поведения. Понимание механизмов, посредством которых происходят эти взаимодействия и как они вызывают декогеренцию, имеет первостепенное значение для разработки надежных стратегий квантического управления. Точное моделирование этих каналов влияния позволит минимизировать нежелательные потери когерентности и повысить стабильность квантовых систем, что является критически важным для создания практически применимых квантовых технологий. Учет этих факторов необходим для достижения устойчивости и надежности в сложных квантовых вычислениях и коммуникациях.
Исследование демонстрирует, что понимание взаимодействия между квантовыми ветвями требует анализа системы как единого целого, а не отдельных компонентов. Как и утверждал Альберт Эйнштейн: «Простота — высшая форма совершенства». В данном случае, простота проектирования схемы, позволяющей наблюдать перенос информации между ветвями, позволила создать воспроизводимый эксперимент на реальном квантовом оборудовании IBM. Эта возможность не только устанавливает базовый уровень для будущих тестов не-унитарной физики, но и подтверждает значимость диагностики когерентности, что является ключевым для управления квантовыми системами и исправления ошибок. Структура схемы, воплощенная в квантовом оборудовании, напрямую определяет наблюдаемое поведение, что подтверждает важность целостного подхода к анализу квантовых явлений.
Что дальше?
Представленная работа, демонстрируя экспериментальную реализацию схемы, имитирующей парадокс Вигнера, становится своеобразным полигоном для проверки неюнитарной физики. Однако, элегантность эксперимента не должна заслонять очевидного: достигнутая воспроизводимость — лишь первый шаг. Устойчивость наблюдаемых эффектов к возрастающей сложности схемы, а также к шумам, присущим реальному квантовому оборудованию, остаётся открытым вопросом. Каждое упрощение в модели, позволяющее реализовать эксперимент, имеет свою цену — искажение физической картины.
Особенно важно осознавать, что валидация диагностических инструментов, таких как «свидетели когерентности», не гарантирует автоматического обнаружения новых физических явлений. Подобные инструменты — лишь прокси, отражающие определённые аспекты квантового состояния. Их чувствительность и специфичность нуждаются в тщательном анализе. Более того, разработка эффективных методов снижения ошибок, основанных на принципах межветвяющейся коммуникации, требует не только алгоритмических инноваций, но и глубокого понимания структуры шума в конкретной квантовой системе.
В конечном счёте, перспективные направления исследований лежат в области расширения масштаба экспериментов и проверки предсказаний более сложных теоретических моделей. Поиск баланса между сложностью схемы, точностью измерений и устойчивостью к шумам — задача, требующая не только технических усовершенствований, но и философского осмысления границ познания в квантовом мире. Иначе говоря, простая схема может обернуться сложной проблемой.
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.16004.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Смотрите также:
- Сердце музыки: открытые модели для создания композиций
- Эмоциональный отпечаток: Как мы научили ИИ читать душу (и почему рейтинги вам врут)
- Волны звука под контролем нейросети: моделирование и инверсия в вязкоупругой среде
- Почему ваш Steam — патологический лжец, и как мы научили компьютер читать между строк
- Квантовый скачок из Андхра-Прадеш: что это значит?
- LLM: математика — предел возможностей.
2026-01-23 12:26