Новый метод восстанавливает квантовое состояние квантового симулятора на классическом компьютере по нескольким измерениям. Это также позволяет пользователю сравнивать квантовое состояние, сохраненное на классическом компьютере, с состоянием в лаборатории.

Новый метод определения квантового состояния в квантовых симуляторах сокращает количество необходимых измерений и делает работу с квантовыми симуляторами намного более эффективной.

Через несколько лет новое поколение квантовых симуляторов сможет обеспечить понимание, которое было бы невозможно при моделировании на обычных суперкомпьютерах. Квантовые симуляторы способны обрабатывать большой объем информации, поскольку они квантово-механически накладывают чрезвычайно большое количество битовых состояний.

Однако по этой причине также оказывается трудным считывать эту информацию из квантового симулятора. Чтобы восстановить квантовое состояние, необходимо очень большое количество индивидуальных измерений. Метод, используемый для считывания квантового состояния квантового симулятора, называется томографией квантового состояния.

«Каждое измерение дает« поперечное изображение »квантового состояния. Затем вы соединяете эти поперечные изображения вместе, чтобы сформировать полное квантовое состояние », - объясняет физик-теоретик Кристиан Кокайль из группы Петера Золлера из Института квантовой оптики и квантовой информации при Австрийской академии наук и на факультете экспериментальной физики Университета. Инсбрука. Количество измерений, необходимых в лаборатории, очень быстро увеличивается с увеличением размера системы.

«Количество измерений растет экспоненциально с увеличением количества кубитов», - говорит физик. Исследователям из Инсбрука удалось разработать гораздо более эффективный метод для квантовых симуляторов.

Понимание квантовой теории поля позволяет томографии квантовых состояний быть намного более эффективной, т. Е. Выполняться со значительно меньшим количеством измерений.

«Удивительно то, что с самого начала было совсем не ясно, можно ли применить предсказания квантовой теории поля к нашим экспериментам по квантовому моделированию», - говорит физик-теоретик Рик ван Бийнен.

«Изучение более старых научных работ в этой области привело нас по этому пути».

Квантовая теория поля обеспечивает базовую структуру квантового состояния в квантовом симуляторе. Затем требуется всего несколько измерений, чтобы уместить детали в эту базовую структуру. Основываясь на этом, исследователи из Инсбрука разработали протокол измерений, с помощью которого томография квантового состояния становится возможной при резко сокращенном количестве измерений. В то же время новый метод позволяет по-новому взглянуть на структуру квантового состояния. Физики протестировали новый метод на экспериментальных данных квантового симулятора ионной ловушки, созданного исследовательской группой из Инсбрука под руководством Райнера Блатта и Кристиана Рооса.

«В процессе мы теперь могли измерить свойства квантового состояния, которые ранее не наблюдались в этом качестве», - рассказывает Кокаил.

Протокол проверки, разработанный группой вместе с Андреасом Эльбеном и Бенуа Вермерш два года назад, можно использовать для проверки того, действительно ли структура квантового состояния соответствует ожиданиям от квантовой теории поля.

«Мы можем использовать дальнейшие случайные измерения, чтобы проверить, действительно ли базовая структура для томографии, которую мы разработали на основе теории, соответствует или полностью неверна», - объясняет Кристиан Кокайл. Протокол поднимает красный флаг, если структура не подходит.

Конечно, это было бы также интересным открытием для физиков, потому что оно могло бы дать ключ к разгадке еще не полностью понятой связи с квантовой теорией поля. В настоящий момент физики Питера Золлера разрабатывают квантовые протоколы, в которых базовая структура квантового состояния не хранится на классическом компьютере, а реализуется непосредственно на квантовом симуляторе.