Физики научились точно предсказывать момент выхода из строя квантовой системы
Физики впервые сумели точно предсказать будущее квантовых систем — точнее, момента, когда эти системы рухнут, — еще задолго до того, как это фактически произойдет. Эта важная возможность может быть использована для создания очень мощных, более точных и более надежных квантовых технологий в будущем.
Если вы не поняли, о чем идет речь в предыдущем абзаце, то вот вам более простой пример. Возьмем, например, ваш смартфон. Вы прекрасно понимаете, что однажды это устройство выйдет из строя, потому что такое всегда происходит с технологиями. А теперь представьте, что вы можете предсказать точный момент времени в будущем, когда это случится, а также способны избежать этого момента, пока он не наступил. Именно этому научились физики из Австралии. Только вместо мобильных телефонов они научились очень точно предсказывать будущую поломку квантовых систем и рассказали о том, как это предотвратить.
Основная отличительная черта между поломкой смартфона и квантовой системой заключается в том, что квантовая система ломается гораздо быстрее и, что важнее, происходит это гораздо "более случайно", чем со смартфонами.
"Как и в случае каждого отдельно взятого компонента в мобильном телефоне, который рано или поздно выйдет из строя, то же самое характерно и для квантовых систем. Однако в квантовых технологиях продолжительность срока службы – это чаще всего вопрос долей секунд, а не лет, как в случае с мобильным устройством", — объясняет руководитель исследования Майкл Дж. Биркак из Сиднейского университета.
Квантовые технологии вроде квантовых компьютеров имеют потенциал произвести настоящую революцию в нашей жизни и работе. Наши обычные компьютеры для обработки информации полагаются на двоичную систему, где значения битов (элементарных единиц информации) приобретают форму цифровых "нулей" и "единиц". Квантовые биты (или кубиты) в свою очередь состоят из атомов, запечатанных в крошечных чипах. Они могут быть либо "включены", либо "выключены", а также находиться в третьем состоянии, называемом "суперпозицией", что делает их еще более эффективными. Однако одним из краеугольных камней квантовых технологий является то, что их нельзя назвать надежными, потому что сама среда, в которой находятся кубиты, может хаотично изменять их состояние, вызывая декогерентность. Другими словами, это означает, что в случайной точке времени квантовые системы могут утратить свою "квантовость", став бесполезными.
До сегодняшних дней у ученых, из-за специфики проблемы в подверженности случайным факторам, не имелось возможностей и способов предсказывать, когда именно наступит эта "случайная точка во времени". Сложность в решении этой проблемы накладывала еще и специфика того факта, что вы не можете измерить квантовые системы без их фактического разрушения.
"Люди очень часто используют методы прогнозирования в повседневной жизни. Например, когда мы играем в теннис, мы предсказываем, куда направится теннисный мяч после удара согласно нашим наблюдениям и аэродинамическим характеристикам самого мяча", — говорит Биркак.
Эти предсказания работают, потому что правила и физические законы, той же гравитации например, способны предсказать его поведение.
"Однако представьте, что все эти правила и законы случайным образом изменялись, пока этот мяч к вам летел? В этом случае предсказать его дальнейшее поведение будет совершенно невозможно", — продолжает Биркак.
"И все же такая ситуация точно описывает то, с чем нам приходится сталкиваться в нашей работе, потому как дезинтеграция (распад) квантовых систем является случайным событием. Более того, в квантовой реальности само наблюдение за объектом стирает его свойство квантовости, поэтому нашей команде пришлось серьезно подумать над тем, каким образом и когда такая система может случайно выйти из строя. Нам фактически пришлось попасть по тому самому хаотично летящему теннисному мячу, при этом будучи с завязанными глазами".
Для решения этого вопроса команда ученых из Сиднейского университета использовала машинное обучение – тот же набор компьютерных алгоритмов, который используется для обработки огромных массивов данных, — чтобы найти любую информацию, которая могла бы им помочь предсказать, когда кубиты выйдут из строя.
Оказалось, что неважно, насколько случайными могут для нас казаться квантовые системы, в них содержится достаточно информации для компьютерных алгоритмов, чтобы попробовать просчитать, как тот или иной кубит изменится в будущем, и без прямого за ним наблюдения предсказать, когда он разрушится. После того как физики сравнили эти предсказания со случаями, когда реальные кубиты выходили из строя, они обнаружили, что эти предсказания оказались на удивление очень точными. Более того, оказалось, что эти предсказания способны компенсировать возможные изменения, которые могут привести к разрушению квантовой системы.
Далее, если исследователи научатся делать это в реальном времени, то это сделает кубиты намного более надежными и стабильными, а также поможет квантовым вычислениям приблизиться гораздо ближе к реальности.
"Мы прекрасно понимаем, что создание реальных квантовых технологий потребует от нас выдающихся возможностей по контролю и стабилизации кубитов, чтобы сделать их использование полезным. Нам не терпится разработать новые возможности, которые превратят квантовые системы из научно-фантастических диковинок в полезные технологии. Квантовое будущее становится все более отчетливым", — подытоживает Биркак.
