Физики изучили фазовый переход магии в квантовой системе.

Стабилизаторные состояния представляют собой класс квантовых состояний, которые могут быть эффективно смоделированы на классических компьютерах. «Магия» в квантовой механике — это характеристика квантовых состояний, показывающая степень их отклонения от стабилизаторных состояний.

Магия усложняет моделирование квантовых состояний, но одновременно является необходимым элементом для достижения универсальных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Понимание механизмов, отвечающих за это свойство, значительно улучшит характеристики квантовых компьютеров.

Авторы нового исследования ранее опубликовали работу, в которой продемонстрировали наличие фазового перехода в запутанности системы. Они обнаружили, что в зависимости от частоты измерений фазовое состояние квантовой системы может как сохранять, так и разрушать запутанность.

«Суперпозиции и запутанности недостаточно, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными по сравнению с классическими. Для достижения преимущества нужен еще один элемент — магия, или отклонение от стабилизаторного состояния. Если в квантовой системе отсутствует магия, ее можно смоделировать на классическом компьютере, что делает квантовый компьютер избыточным. Только при наличии значительного количества магии можно превзойти возможности классического компьютера», — пояснил Прадип Нироула (Pradeep Niroula), ведущий автор нового научного исследования.

Квантовый вентиль, аналог логического вентиля в классических компьютерах, воздействует на кубиты и стремится создавать запутанность между ними, в то время как измерение одного из этих кубитов разрушает ее. Если добавить в квантовую схему несколько вентилей, можно выполнять измерения в случайных местах и контролировать распределение запутанности в системе.

Ученые знают, что при низком количестве измерений вся квантовая система оказывается запутанной. Напротив, при слишком частых измерениях запутанность подавляется. Постепенное увеличение частоты измерений приводит к резкому фазовому переходу запутанности от высокой к почти нулевой.

На этот раз ученые исследовали, существует ли фазовый переход в магии. Им удалось продемонстрировать, что код, предназначенный для защиты квантовой информации от ошибок, с точки зрения магии показывает явный фазовый переход из состояния «есть магия» в состояние «нет магии» без промежуточных этапов. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Измерения также уничтожают магию, но для ее контролируемого добавления в систему необходимо выполнять небольшие изменения состояния кубитов. Изменения квантового состояния кубита называют поворотом, поскольку оно теоретически описывается в трехмерной системе координат.

Физики использовали схему управления магией в случайном стабилизаторном коде через когерентные ошибки. Такие ошибки предсказуемы, постоянны и возникают в результате эволюции квантовых состояний.

В эксперименте измерения в некоторых случаях уничтожали магию, возвращая состояния к стабилизаторным, а иногда оставляли магию неизменной. Конкурирующими факторами в квантовых компьютерах оказались «количество измерений» и «угол вращения кубитов».

Ученые установили, что при фиксированной скорости измерений можно изменить угол вращения и перейти из фазы с высокой концентрацией магии в фазу без нее. Авторы научной работы провели серию численных симуляций и показали, что фазовый переход магии действительно происходит, а затем проверили эту гипотезу экспериментально, используя реальные квантовые схемы. Эксперименты подтвердили результаты симуляций.

«Мы наблюдали признак фазового перехода даже на фоне шума в системе. Наша работа открывает фазовый переход в магии. В предыдущих исследованиях уже были обнаружены другие переходы в запутанности и зарядах, что поднимает вопрос: могут ли и другие ресурсы демонстрировать аналогичные переходы? Относятся ли они к какому-то универсальному типу переходов? Можем ли мы использовать эти знания для создания устойчивых к помехам квантовых компьютеров?» — отметил Нироула.

Наличие такого перехода может указывать на существование более общей теории, применимой к различным квантовым свойствам.