Квантовую нелокальность зафиксировали для 24 кубитов одновременно

Физики зарегистрировали квантовую нелокальность сразу для 24 кубитов в устройстве на сверхпроводниках. В этом ученым помогла вариационная квантовая цепочка на основе модифицированного неравенства Белла, а также одно- и двухкубитные операции с точностью выполнения 99,95 и 99,4 процента, соответственно. В одном из экспериментов за 14 итераций энергия системы опустилась ниже классически разрешенной границы на 48 стандартных отклонений. Результаты исследования опубликованы в Physical Review X.

Частицы составной квантовой системы могут проявлять друг с другом такие корреляции, которые не допускает классическая физика: к примеру, квантовая запутанность и нелокальность. При этом последнее явление гораздо более сильное, то есть состояние, проявляющее белловскую нелокальность, обязательно будет запутанным, но не наоборот — существуют запутанные состояния, которые допускают скрытые локальные переменные в описании и при этом не нарушают ни одного неравенства Белла.

Физики давно исследуют квантовую нелокальность как с теоретической точки зрения, так и опытным путем: в 2022 году Нобелевскую премию по физике вручили в том числе за исследование случаев, когда неравенства Белла не выполнялись в эксперименте для квантовых систем из двух частиц. Однако исследователи до сих пор крайне редко изучают нелокальность в квантовых системах из многих тел. Все дело в том, что для создания нелокально коррелирующих состояний необходимо крайне точно контролировать и сами объекты, и степень взаимодействия между ними — довольно сложная задача для современных шумных квантовых устройств.

Дэн Дунлинь (Dong-Ling Deng) из Университета Цинхуа совместно с коллегами из Китая и Нидерландов продемонстрировал квантовую нелокальность сразу для 24 четырех кубитов в сверхпроводящем квантовом процессоре. Перед проведением эксперимента физики поставили в соответствие и левой, и правой части заданного неравенства Белла некоторое квантовое измерение. Когда эти измерения образовали набор, ученые отобразили линейную функцию коррелятора на оператор Белла, заменив члены неравенства соответствующими измерительными наблюдаемыми. Таким образом исследователи представили белловский оператор как гамильтониан многих тел, а задачу о корреляциях свели к задаче поиска квантовых состояний с энергией, меньшей чем классическое граничное условие в изначальном неравенстве.

Благодаря такой подготовке, а также индивидуальной адресуемости кубитов в использованном квантовом процессоре, физики гибко настроили гамильтониан системы, связанный с составленным неравенством Белла. Ученые провели эксперимент на сверхпроводящем квантовом процессоре, состоящем из 73 трансмонных кубитов, соединенных в решетку с квадратными ячейками. Точность однокубитных операций в использованном устройстве составила 99,95 процента, а для двухкубитных вентилей — 99,4 процента.

В результате энергия вариационной квантовой цепи опустилась ниже классической границы, что в свою очередь привело к нарушению неравенств Белла и обнаружению корреляций белловского оператора. В одном из экспериментов для силы связи между двумя кубитами в 0,9 единицы измеренная энергия анзаца упала ниже классически разрешенного предела за 14 итераций и достигла значения в −156,29 условные единицы (в то время как классическая граница была равна −131,3 единицы, что отличается на 48 стандартных отклонений). Всего же физики зафиксировали квантовую нелокальность для 24 кубитов.

Авторы работы отметили, что хотя использованное в исследовании определение нелокальности и было косвенным, их результаты стали универсальными и практически не привязанными к конкретной архитектуре квантового устройства. Использование белловской нелокальности в вариационных квантовых цепочках в будущем также значительно улучшит работу квантовых нейронных сетей.

Более простыми словами о квантовой нелокальности читайте в нашем материале «Квантовая азбука: „Нелокальность“».