Неймовірна сила квантової пам’яті

Оригінальна версія з ця історія з’явився в Журнал Quanta.

Квантові системи — сукупності частинок, які дотримуються суперечливих правил квантової механіки — непросто досліджувати. Принцип невизначеності Гейзенберга, наріжний камінь квантової теорії, говорить про те, що неможливо одночасно виміряти точне положення та швидкість частинки — це дуже важлива інформація для розуміння того, що відбувається.

Щоб вивчити, скажімо, конкретну колекцію електронів, дослідники повинні бути розумними. Вони можуть взяти коробку з електронами, тицьнути в неї різними способами, а потім зробити знімок того, як вона виглядає в кінці. Таким чином вони сподіваються реконструювати внутрішню квантову динаміку.

Але є заковика: вони не можуть виміряти всі властивості системи одночасно. Так повторюють. Вони почнуть зі своєї системи, свердлять, а потім виміряють. Потім вони зроблять це знову. На кожній ітерації вони вимірюватимуть новий набір властивостей. Зберіть достатню кількість знімків разом, і алгоритми машинного навчання допоможуть відновити повні властивості вихідної системи — або принаймні наблизитися до них.

Це виснажливий процес. Але теоретично квантові комп’ютери можуть допомогти. Ці машини, які працюють відповідно до квантових правил, мають потенціал бути набагато кращими, ніж звичайні комп’ютери, у моделюванні роботи квантових систем. Вони також можуть зберігати інформацію не в класичній двійковій пам’яті, а в більш складній формі, яка називається квантовою пам’яттю. Це дозволяє отримувати набагато більш багаті та точніші описи частинок. Це також означає, що комп’ютер може зберігати кілька копій квантового стану у своїй робочій пам’яті.

Кілька років тому команда з Каліфорнійського технологічного інституту показала, що деякі алгоритми, які використовують квантову пам’ять, вимагають експоненціально менше моментальних знімків, ніж алгоритми, які її не використовують. Їхній метод був великим прогресом, але він вимагав відносно великого обсягу квантової пам’яті.

Це щось на зразок компромісу, тому що з практичної точки зору квантову пам’ять знайти важко. Квантовий комп’ютер складається з взаємопов’язаних квантових бітів, які називаються кубітами, і кубіти можна використовувати для обчислень або пам’яті, але не для обох.

Тепер дві незалежні групи знайшли способи обійтися набагато меншим обсягом квантової пам’яті. У першій статті Ситан Чен, комп’ютерний науковець із Гарвардського університету, та його колеги показали, що лише дві копії квантового стану можуть експоненціально зменшити кількість разів, які вам потрібно зробити знімок вашої квантової системи. Іншими словами, квантова пам’ять майже завжди варта інвестицій.