Ученые из университета Колорадо в Боулдере и компании Quantinuum (США) предложили необычную «игру» для квантовых компьютеров, которая демонстрирует готовность этих устройств выполнять задачи, недоступные классическим компьютерам. Описание эксперимента опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Исследователи задумали «игру в шашки» на крошечной доске, где вместо фишек двигаются ионы, управляемые лазерными импульсами. Цель — задействовать квантовую механику, чтобы участники, расположенные в разных «комнатах» процессорной сетки, могли координировать свои ходы без прямого общения. Это достигается за счет особого вида квантовой запутанности — топологического порядка, при котором ионы словно образуют «узлы», устойчивые к внешним возмущениям.
Для практической проверки теории команда подключилась к облачной квантовой системе Quantinuum System Model H1. На небольшом чипе в несколько сантиметров инженеры разместили до 20 ионов иттербия, удерживаемых электромагнитным полем и «расшитыми» лазерными лучами. Ученые запрограммировали устройство так, чтобы эти ионы вошли в топологическую фазу — квантовую структуру, устойчивую к локальным «ударчикам» по отдельным узлам.
«Мы создали глобальный узор запутанности, — объясняет доцент факультета физики университета Колорадо Рахул Нандкишор. — Если потревожить пару ионов, этот общий порядок не развалится». Такая устойчивость позволяет победить в квантовой «игре без телепатии» — так называют эксперты эффект «квазителепатии», когда запутанные частицы координируют ответы участников без обмена информацией.
Когда ученые запускали свои «ходы» на H1, они выиграли игру в среднем в 95 % случаев, даже добавляя намеренные помехи и привлекая к измерениям дополнительные ионы. Для сравнения: лучшая классическая стратегия в такой задаче побеждает лишь примерно в 85 % случаев.
«Этот эксперимент — доказательство принципа: сегодня квантовые компьютеры уже могут делать то, что неподвластно классическим, и при этом масштабируются», — говорит Нандкишор. При этом он подчеркивает, что сама «игра» вряд ли найдет практическое применение, но она служит надежным бенчмарком, демонстрируя, как вырастить число надежно запутанных кубитов.
Соавтор работы Оливер Харт напоминает, что идея квантовых игр зародилась еще до появления первых квантовых компьютеров. В 1990 году физик Дэвид Мермин описал математические упражнения, где два «игрока» заполняют сетку нулями и единицами, пытаясь выполнить заранее заданный шаблон — без связи друг с другом. Обычная физика не позволяет гарантировать победу, но запутанные частицы в квантовом протоколе обеспечивают координацию, словно участники обладают «псевдотелепатией».
«На практике запутать даже две частицы очень сложно: малейшее повышение температуры или внешнее поле мгновенно разрывает связь, — поясняет Дэвид Стивен из Quantinuum. — Показать, что можно создать крупную топологическую фазу из десятков ионов и сохранить ее при считывании — это настоящий прорыв».
В долгосрочной перспективе топологические кубиты обещают стать основой надежных квантовых процессоров: они будут защищены от ошибок на аппаратном уровне. Демонстрация такой надежности на H1 убедила многих, что масштабируемые квантовые системы не за горами.
По словам Нандкишора, следующий шаг — увеличить число ионов и усложнить «игру», вводя новые правила и более затейливые задачи, приближая исследования к практическим приложениям в криптографии, моделировании материалов и оптимизации.
Если игра в «квантовые шашки» уже не кажется вам странной, тогда приготовьтесь — на подходе квантовый кубик Рубика!
