Фізики відстежили фазовий перехід магії в квантовій системі.

Стабілізаторні стани — клас квантових станів, які можуть бути ефективно змодельовані на класичних комп'ютерах. Властивість «магії» в квантовій механіці — характеристика квантових станів, що описує ступінь їх відхилення від стабілізаторних станів. 

Магія ускладнює моделювання квантових станів, але водночас є необхідною для реалізації універсальних і стійких до помилок квантових обчислень. Розуміння властивостей механізмів, що за це відповідають, значно покращить характеристики квантових комп'ютерів.

Автори нового дослідження раніше опублікували статтю, в якій показали існування фазового переходу в заплутаності системи. Вони виявили, що в залежності від частоти вимірювань фазовий стан квантової системи може зберігати або руйнувати заплутаність. 

«Суперпозиції та заплутаність виявляються недостатніми, щоб зробити квантові комп'ютери більш потужними, ніж класичні. Для досягнення переваги необхідний ще один компонент — магія, або відхилення від стабілізаторного стану. Якщо в квантовій системі немає магії, її можна змоделювати на класичному комп'ютері, але це робить квантовий комп'ютер надмірним. Лише за наявності значної кількості магії можна перевершити можливості класичного комп'ютера», — пояснив Прадзіп Нірула (Pradeep Niroula), перший автор нової наукової роботи.

Квантовий вентиль, родич логічного вентиля в класичних комп'ютерах, впливає на кубіти та прагне створювати заплутаність між ними, тоді як вимірювання одного з цих кубітів руйнує її. Якщо додати в квантову схему кілька вентилів, можна проводити вимірювання в випадкових місцях і контролювати розподіл заплутаності в системі.

Вчені знають, що при малому числі вимірювань вся квантова система виявляється заплутаною. Навпаки, при занадто частих вимірюваннях заплутаність пригнічується. Якщо ж поступово збільшувати частоту вимірювань, заплутаність різко здійснює фазовий перехід від високої до майже нульової.

Цього разу вчені досліджували, чи існує фазовий перехід у магії. Їм вдалося показати, що код, призначений для захисту квантової інформації від помилок, з точки зору магії демонструє явний фазовий перехід з стану «є магія» в стан «немає магії» без проміжних етапів. Дослідження опубліковано в журналі Nature Physics.

Вимірювання також знищують магію, але для її контрольованого додавання в систему необхідно виконувати невеликі зміни стану кубітів. Зміни квантового стану кубіта називають поворотом, оскільки воно теоретично описується в тривимірній системі координат.

Фізики використовували схему управління магією в випадковому стабілізаторному коді через когерентні помилки. Такі помилки передбачувані, постійні і є наслідком еволюції квантових станів. 

В експерименті вимірювання в деяких випадках знищували магію, повертаючи стани до стабілізаторних, а іноді залишали магію незмінною. Конкурентними силами в квантових комп'ютерах виявилися «кількість вимірювань» та «кут обертання кубітів».

Вчені виявили, що при фіксованій швидкості проведення вимірювань можна змінити кут обертання і перейти з фази з високою концентрацією магії в фазу без неї взагалі. Автори наукової роботи провели серію чисельних симуляцій і показали, що фазовий перехід магії дійсно відбувається, а потім перевірили цю гіпотезу експериментально, використовуючи реальні квантові схеми. Експерименти підтвердили симуляції.

«Ми спостерігали ознаку фазового переходу навіть на фоні шуму в системі. Наша робота відкриває фазовий перехід у магії. У минулих дослідженнях вже були виявлені інші переходи в заплутаності та зарядах, що піднімає питання: чи можуть інші ресурси демонструвати аналогічні переходи? Чи відносяться вони до якогось універсального типу переходів? Чи можемо ми застосувати ці знання для створення стійких до перешкод квантових комп'ютерів?» — зазначив Нірула.

Наявність переходу може вказувати на існування більш загальної теорії, застосовної до різних квантових властивостей.