Τα κβαντικά συστήματα πληροφορίας, δηλαδή συστήματα που επεξεργάζονται, αποθηκεύουν ή μεταδίδουν πληροφορίες αξιοποιώντας κβαντομηχανικά φαινόμενα, θα μπορούσαν κατ’ αρχήν να υπερέχουν έναντι των κλασικών συστημάτων σε ορισμένα καθήκοντα βελτιστοποίησης, υπολογισμού, ανίχνευσης και μάθησης.
Ένα σημαντικό στοιχείο της κβαντικής επιστήμης πληροφορίας είναι η αξιόπιστη ποσοτικοποίηση των κβαντικών καταστάσεων σε ένα σύστημα, ώστε να επαληθεύεται ότι αντιστοιχούν στις επιθυμητές (δηλαδή στις καταστάσεις-στόχους).
Περιορισμοί των συμβατικών πρωτοκόλλων
Τα συμβατικά πρωτόκολλα για την επαλήθευση κβαντικών καταστάσεων βασίζονται σε πειραματικά δύσκολα βαθιά κβαντικά κυκλώματα ή σε εκθετικό αριθμό μετρήσεων μονών qubits. Αυτό τα καθιστά μη πρακτικά για πραγματικές εφαρμογές, ιδιαίτερα για την ποσοτικοποίηση έντονα διεμπλεγμένων καταστάσεων σε μεγαλύτερα κβαντικά συστήματα πληροφορίας.
Μια νέα επεκτάσιμη προσέγγιση
Ερευνητές του California Institute of Technology ανέπτυξαν πρόσφατα μια πιο επεκτάσιμη προσέγγιση που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ποσοτικοποίηση και επαλήθευση σχεδόν όλων των κβαντικών καταστάσεων. Το νέο αυτό πρωτόκολλο, που παρουσιάστηκε σε εργασία δημοσιευμένη στο Nature Physics, βασίζεται σε σημαντικά λιγότερες μετρήσεις και υπολογισμούς απ’ ό,τι οι προηγούμενες προσεγγίσεις.
«Το αρχικό μας κίνητρο προήλθε από την ανάγκη να επαληθεύσουμε τις αναπαραστάσεις των κβαντικών καταστάσεων μέσω νευρωνικών δικτύων», δήλωσε ο Hsin-Yuan (Robert) Huang, συγγραφέας της μελέτης, στο Phys.org.
«Τα νευρωνικά δίκτυα έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά ισχυρά στην αναπαράσταση ποικίλων κβαντικών καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με εξαιρετικά υψηλή διεμπλοκή. Ωστόσο, όπως και στα καθημερινά γενετικά μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης, όπως το ChatGPT, αυτά τα μοντέλα μπορούν να “παραληρούν” μοτίβα που δεν υπάρχουν στα πραγματικά δεδομένα».
Αποφυγή των ψευδών συσχετίσεων
Αφού ένας αλγόριθμος βαθιάς μάθησης εκπαιδευτεί σε πειραματικές μετρήσεις μιας κβαντικής κατάστασης, μπορεί μερικές φορές να μάθει «ψευδείς» συσχετίσεις αντί για γνήσια κβαντικά χαρακτηριστικά – ένα φαινόμενο γνωστό ως «παραλήρημα». Αν συμβεί αυτό, το μοντέλο δεν μπορεί πλέον να αναπαραστήσει αξιόπιστα μια κβαντική κατάσταση ούτε να προσφέρει επιστημονικά χρήσιμες πληροφορίες.
«Ο κύριος στόχος μας ήταν να αναπτύξουμε μια αυστηρή προσέγγιση για να επαληθεύσουμε ότι το μοντέλο νευρωνικού δικτύου αναπαριστά πιστά την εργαστηριακή κατάσταση, εξασφαλίζοντας ότι οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιούν αυτά τα μοντέλα με εμπιστοσύνη στην κβαντική έρευνα», είπε ο Huang.
Πώς λειτουργεί το νέο πρωτόκολλο
Το νέο πρωτόκολλο που ανέπτυξαν ο Huang και οι συνεργάτες του είναι απλό αλλά εξαιρετικά αποτελεσματικό. Η προσέγγιση λειτουργεί με την τυχαία επιλογή ενός qubit από το υπό εξέταση κβαντικό σύστημα και τη μέτρηση ενός τυχαία επιλεγμένου τελεστή Pauli σε αυτό το qubit, ενώ τα υπόλοιπα qubits μετρώνται σε μια στάνταρ βάση.
«Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία έναν πολυωνυμικό αριθμό φορών, αποδεικνύουμε ότι τα δεδομένα μετρήσεων επαληθεύουν αποδοτικά αν η κατάσταση-στόχος ταιριάζει με την εργαστηριακή κατάσταση», εξήγησε ο Huang. «Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι αυτό απαιτεί μόνο μετρήσεις μονών qubits. Δε χρειάζονται προηγμένες κβαντικές δυνατότητες ή διεμπλεγμένες λειτουργίες. Επιπλέον, αποδεικνύουμε ότι αυτές οι απλές μετρήσεις λειτουργούν για σχεδόν όλες τις καταστάσεις-στόχους, ακόμη και για εκείνες με εκθετικά υψηλή πολυπλοκότητα και μέγιστη διεμπλοκή».
Αποκάλυψη της παγκόσμιας δομής μέσω τοπικών μετρήσεων
Οι ερευνητές έδειξαν ότι οι μεμονωμένες τοπικές μετρήσεις μπορούν να αποκαλύψουν αν ένα σύστημα πολλών qubits βρίσκεται κοντά στην επιθυμητή κβαντική κατάσταση. «Αυτό σημαίνει ότι οι τοπικές μετρήσεις μονών qubits μπορούν να αποκαλύψουν την περίπλοκη διεμπλοκή και τις κβαντικές συσχετίσεις που εκτείνονται σε ολόκληρο το σύστημα», δήλωσε ο Huang.
«Πριν από αυτή τη δουλειά, η επικρατούσα αντίληψη ήταν ότι τέτοιες τοπικές μετρήσεις μπορούσαν να ανιχνεύσουν μόνο τοπικές συσχετίσεις, όχι όμως τις παγκόσμιες κβαντικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματά μας αλλάζουν ριζικά αυτή την προοπτική».
Επόμενα βήματα και εφαρμογές
Το νέο πρωτόκολλο θα μπορούσε σύντομα να επικυρωθεί περαιτέρω σε δοκιμές που αφορούν διάφορα εργαστηριακά κβαντικά συστήματα. Άλλες ερευνητικές ομάδες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιήσουν αυτή την προσέγγιση ή να αναπτύξουν παρόμοιες για να ποσοτικοποιήσουν τις κβαντικές καταστάσεις που προκύπτουν στα συστήματά τους.
«Εξερευνούμε τώρα τις ευρύτερες επιπτώσεις αυτής της εκπληκτικής διαπίστωσης ότι οι μετρήσεις μονών qubits επαρκούν για να αποκαλύψουν τη μη τοπική δομή της διεμπλοκής», πρόσθεσε ο Huang. «Αυτό θα περιλαμβάνει την ανάπτυξη βελτιωμένων πρωτοκόλλων για την αξιολόγηση κβαντικών συσκευών, την επαλήθευση μοντέλων νευρωνικών δικτύων κβαντικών καταστάσεων και την επέκταση της πιστοποίησης σε άλλα κβαντικά αντικείμενα όπως η κβαντική δυναμική και τα κβαντικά κανάλια».
More information: Hsin-Yuan Huang et al, Certifying almost all quantum states with few single-qubit measurements, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03025-1. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.07281
Journal information: Nature Physics , arXiv
