Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να ξεπεράσουν τους κλασικούς σε εξαιρετικά απαιτητικές εργασίες, όμως όσο αυξάνεται το μέγεθός τους, η ακριβής περιγραφή των καταστάσεών τους γίνεται εκθετικά δυσκολότερη. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα νέο πρωτόκολλο που επιτρέπει την ανακατασκευή κβαντικών καταστάσεων σε συστήματα έως και 96 qubits, καταρρίπτοντας το προηγούμενο όριο των 35 qubits.
Η χρήση των Τελεστών Γινομένου Πινάκων (MPO)
Η προσέγγιση των ερευνητών βασίζεται στους Τελεστές Γινομένου Πινάκων (Matrix-Product Operators – MPO). Πρόκειται για μαθηματικές αναπαραστάσεις που επιτρέπουν την ανάλυση τεράστιων συστημάτων σε μια αλυσίδα από συνδεδεμένα, μικρότερα κομμάτια.
«Τα τρέχοντα κβαντικά συστήματα είναι εξαιρετικά θορυβώδη, κάτι που σημαίνει ότι οι λειτουργίες τους δεν είναι τέλειες», εξήγησε ο Matteo Votto, πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Αυτός ο θόρυβος, παραδόξως, κάνει τα συστήματα πιο εύκολα στην προσομοίωση, καθώς οι διεπεπλεγμένες καταστάσεις γίνονται πιο αδύναμες και προσεγγίσιμες από κλασικούς υπολογιστές».
Πώς λειτουργεί το πρωτόκολλο
Το πρωτόκολλο λειτουργεί δημιουργώντας μια συμπιεσμένη αναπαράσταση της πλήρους κβαντικής κατάστασης. Η διαδικασία περιλαμβάνει τα εξής βήματα:
- Τυχαίες Μετρήσεις: Εκτελούνται τυχαίες λειτουργίες σε κάθε qubit και λαμβάνονται δεδομένα.
- Κλασικές Σκιές (Classical Shadows): Μια τεχνική που εξάγει χρήσιμες πληροφορίες από τις μετρήσεις.
- Εκμάθηση Τανυστικού Δικτύου: Το πρωτόκολλο μαθαίνει ένα δίκτυο τανυστών που είναι συμβατό με τα πειραματικά δεδομένα.
Το βασικό εύρημα είναι ότι οι πληροφορίες για ένα συγκεκριμένο qubit μπορούν να αντληθούν εξετάζοντας μόνο τα γειτονικά του qubits, αντί για ολόκληρο το σύστημα.
Πλεονεκτήματα και μελλοντικές προοπτικές
Το νέο πρωτόκολλο είναι συμβατό με τα υπάρχοντα πειραματικά δεδομένα και παρουσιάζει μεγάλη ανθεκτικότητα στα σφάλματα. Επιπλέον, περιλαμβάνει πληροφορίες για τον θόρυβο και την αποσυνοχή (decoherence), γεγονός που το καθιστά πολύτιμο εργαλείο για τη βαθμονόμηση και τη διόρθωση σφαλμάτων σε πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές.
Στο μέλλον, οι ερευνητές σκοπεύουν να επεκτείνουν το πρωτόκολλο σε συστήματα με δισδιάστατη συνδεσιμότητα, καθώς οι περισσότεροι σύγχρονοι κβαντικοί υπολογιστές δεν περιορίζονται σε μονοδιάστατες γεωμετρίες.
Λεπτομέρειες δημοσίευσης
Matteo Votto et al, Μάθηση μικτών κβαντικών καταστάσεων σε πειράματα μεγάλης κλίμακας, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/rbg2-f61m.
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters