Machafuko ya quantum ni mojawapo ya maeneo ya msingi ya utafiti yanayochunguza jinsi taarifa zinavyoenea, jinsi korrelasheni zinavyosambaa na jinsi sifa ya quantum ambayo mwanzoni ni ya eneo dogo inavyochanganyika katika mfumo mzima kadiri muda unavyopita, katika mifumo yenye chembe nyingi za quantum zinazoingiliana. Hata hivyo, mifumo ya quantum ya miili mingi inapokua, kuiga kikamilifu mifumo hiyo kwa kompyuta za kawaida kunakuwa kugumu kwa kasi kubwa. Hali hii hufanya kompyuta za quantum kuwa jukwaa la asili la uigaji, lakini pia huibua tatizo jingine: tunawezaje kuamini usahihi wa matokeo ya kompyuta ya quantum katika kiwango ambacho kompyuta ya kawaida haiwezi tena kutoa suluhisho sahihi kabisa?

Laurin E. Fischer na wenzake wanalishughulikia swali hili kwa kutumia kundi maalumu la saketi za quantum zenye machafuko, yaani saketi za dual-unitary. Milango ya dual-unitary ina sifa ya unitariti si katika mwelekeo wa kawaida wa muda pekee, bali pia mchoro wa tensa unapotafsiriwa upya katika mwelekeo wa nafasi. Muundo huu usio wa kawaida wa kihisabati hufanya baadhi ya fonkseni za korrelasheni za dinamiki changamano sana ya quantum inayochanganya taarifa kwa nguvu ziweze bado kukokotolewa kikamilifu.

Watafiti waligeuza sifa hii kuwa jukwaa la uthibitishaji na kuendesha saketi kwenye kichakataji cha IBM cha transmon zenye upitishaji mkuu wa umeme, ibm strasbourg, wakitumia saketi za kicked-Ising za qubit 51, 71 na 91. Katika matokeo ghafi ya maunzi, kelele zilikandamiza ishara ya korrelasheni kwa haraka zaidi kuliko nadharia; baada ya kujifunza chaneli za kelele na kutumia Tensor-Network Error Mitigation (TEM), matokeo ya majaribio yalikaribia kwa kiasi kikubwa utabiri wa kinadharia.

Majaribio makubwa zaidi ya utafiti yalitumia qubit 91 na hadi milango 4095 ya qubit mbili. Kisha watafiti waliondoa saketi kwenye nukta ya dual-unitary inayoweza kutatuliwa kikamilifu. Katika eneo hili, suluhisho lilelile kamili la kiuchanganuzi halipo tena kwa kiasi husika kinachoonekana, na uigaji wa kawaida wa hali nzima ya quantum kwa ukokotoaji wa moja kwa moja wa kila kipengele hauwezekani kwa vitendo kutokana na ukubwa wake. Badala yake, matokeo ya majaribio yaliyopunguziwa makosa yalilinganishwa na mbinu za kawaida zinazotegemea mitandao ya tensa.

Matokeo ni muhimu lakini yanapaswa kutafsiriwa kwa tahadhari. Uigaji wa kawaida wa mitandao ya tensa katika taswira ya Schrödinger haukufikia muunganiko hata kwa vipimo vikubwa vya vifungo, ilhali uigaji wa kiasi kilekile kinachoonekana katika taswira ya Heisenberg hufikia muunganiko kwa gharama ndogo zaidi ya ukokotoaji. Kwa hiyo, utafiti huu si onyesho la jumla la ubora wa quantum la aina ya “kompyuta za kawaida haziwezi tena kufanya hivi”. Matokeo halisi ni kwamba vichakataji vya quantum vilivyopunguziwa makosa lakini visivyostahimili makosa vinazidi kuwa jukwaa lenye nguvu la majaribio la kuchunguza kwa kuaminika dinamiki ya quantum ya miili mingi katika kiwango kikubwa.

Kwa nini machafuko ya quantum ya miili mingi ni tatizo gumu?

Hali ya mfumo wa quantum hukaa katika nafasi ya Hilbert inayokua kwa kasi ya kipeo kulingana na idadi ya qubit. Uwakilishi wa jumla wa hali safi yenye qubit \(N\) kwa vekta ya hali ni

\[ |\psi\rangle = \sum_{x=0}^{2^N-1}c_x|x\rangle \]

katika umbo hilo. Kwa hiyo, kadiri idadi ya qubit inavyoongezeka, gharama ya kuhifadhi amplitudo zote waziwazi katika kumbukumbu ya kompyuta ya kawaida huongezeka haraka.

Katika dinamiki ya machafuko ya quantum ya miili mingi, tatizo huwa wazi zaidi. Taarifa za quantum zinazoanza katika eneo dogo huenea kupitia milango yenye mwingiliano, mfungamano hukua na maeneo makubwa zaidi ya mfumo yanapaswa kuwakilishwa. Mchakato huu unaweza pia kusababisha ukuaji wa haraka wa kipimo cha kifungo kinachoamua ufanisi wa mbinu za kawaida za mitandao ya tensa.

Vichakataji vya kidijitali vya quantum vinavutia kinadharia kwa sababu vinaweza kuunda dinamiki hii moja kwa moja kwa milango. Hata hivyo, katika vifaa vya leo visivyostahimili makosa, kila lango, uandaaji na kipimo hubeba kiasi fulani cha kelele. Kwa hiyo, tatizo si “kuendesha saketi” pekee; lazima kutofautisha iwapo ishara ya kifizikia inayopatikana inatokana na dinamiki halisi au makosa ya kifaa.

Saketi za Quantum za Dual-Unitary ni Nini?

Saketi za dual-unitary ni saketi maalumu ambazo milango yake ya qubit mbili hubaki na unitariti fahirisi za tensa zinapopangwa upya katika mwelekeo wa nafasi, pamoja na unitariti wake katika mwelekeo wa kawaida wa muda; muundo huu unaunganisha uenezaji wa taarifa wenye machafuko makubwa na uwezekano wa kukokotoa baadhi ya fonkseni za korrelasheni kikamilifu kwa uchanganuzi.

Kutoka unitariti wa kawaida hadi unitariti “maradufu”

Kila lango unitari la qubit mbili \(\hat U\) hutimiza sharti

\[ \hat U^\dagger\hat U = \hat U\hat U^\dagger = \hat I \]

hilo. Katika hali ya dual-unitary, opereta duali \(\hat U_D\), inayofafanuliwa kwa kupanga upya jozi maalumu za fahirisi za ingizo na toleo za lango, pia hutimiza sharti

\[ \hat U_D^\dagger\hat U_D = \hat U_D\hat U_D^\dagger = \hat I \]

hilo.

Sifa hii ya kihisabati si ulinganifu wa kidhahania pekee. Milango katika michoro ya tensa inaweza kufutwa kwa kurahisishwa katika mielekeo ya muda na nafasi. Kwa njia hii, maeneo ya saketi kubwa sana yasiyohusika na kiasi fulani kinachoonekana yanaweza kufutana kikamilifu, na ishara inayopimika inaweza kupunguzwa hadi mpaka mmoja tu wa koni ya mwanga.

Modeli ya Kicked Ising inageuzwaje kuwa saketi?

Modeli ya kicked-Ising inayosukumwa mara kwa mara na kuigwa katika utafiti hufafanuliwa kwa vipengele viwili vya Hamiltonian:

\[ \hat H_I= J\sum_n\hat Z_n\hat Z_{n+1} + h\sum_n\hat Z_n, \]

na uga wa misukumo ya vipindi

\[ \hat H_K= b\sum_n\hat X_n. \]

Mageuzi katika kipindi kimoja cha Floquet yana umbo

\[ \hat U_{KI} = e^{-i\hat H_K} e^{-i\hat H_I} \]

hilo.

Kwa vigezo maalumu vilivyotumiwa katika utafiti, sharti

\[ |J|=|b|=\frac{\pi}{4} \]

likitimizwa, vitalu vya qubit mbili huwa dual-unitary kwa kila \(h\).

Katika hali ya \(h=0\), modeli inaweza kuoanishwa na fermioni huru na saketi husika ya brickwork huundwa na milango ya Clifford. \(h>0\) inapochaguliwa, sifa ya kuweza kutatuliwa kwa ujumuishaji huvunjika na mfumo huwa usio na sifa hiyo; hata hivyo, kutokana na muundo wa dual-unitary, suluhisho kamili la fonkseni fulani za korrelasheni hubaki.

Kwa nini huitwa “yenye machafuko ya juu kabisa”?

Katika saketi za dual-unitary, uenezaji wa taarifa za quantum unaweza kufikia kasi za juu kabisa zinazoruhusiwa. Kuenea kwa korrelasheni za nyakati mbili na baadhi ya miundo ya korrelata zisizofuata mpangilio wa muda kwenye mpaka wa koni ya mwanga ni kiashiria cha uchanganyaji wa haraka wa taarifa. Inajulikana pia kuwa, kwa hali zinazofaa za mwanzo, mfungamano unaweza kukua kwa kasi ya juu kabisa inayowezekana.

Kauli ya “machafuko ya juu kabisa” hapa si dai lisilo na mipaka kwamba kila kipimo cha machafuko ya quantum kiko kwenye kiwango cha juu kabisa kwa wakati mmoja; chanzo kinaitumia katika muktadha wa uenezaji wa taarifa na sifa zinazohusiana za kiuchanganuzi za saketi za dual-unitary.

Koni ya Mwanga Hufanyaje Machafuko ya Quantum Yaonekane?

Muundo wa dual-unitary huzuia uenezaji wa taarifa kwa usababishaji wa muda na wa nafasi; katika utafiti, otokorrelasheni ya halijoto isiyo na kikomo huwa sifuri nje ya koni ya mwanga, ilhali katika modeli iliyochaguliwa hubaki na thamani yenye kikomo kwenye mpaka wa \(n=t\) pekee. Kwa njia hii, uenezaji wa taarifa wenye machafuko hupunguzwa hadi mstari mmoja wa korrelasheni unaopimika.

Kiasi kinachopimwa: otokorrelasheni ya halijoto isiyo na kikomo

Fonkseni ya otokorrelasheni

\[ C_n(t)= \operatorname{Tr} \left[ \hat\rho_\infty \hat X_0(0) \hat X_n(t) \right] \]

ndiyo inayochunguzwa na watafiti.

Hali ya halijoto isiyo na kikomo ina umbo

\[ \hat\rho_\infty = \frac{\hat I}{2^N} \]

hilo.

Katika modeli ya dual-unitary kicked-Ising, matokeo kamili ya kiuchanganuzi katika kipindi husika cha muda hupatikana kwa umbo

\[ C_n(t)= \begin{cases} [\cos(2h)]^t, & n=t,\\ 0, & n\neq t \end{cases} \]

hilo.

Fomula hii ndiyo kiini cha mkakati wa uthibitishaji wa utafiti. \(n\neq t\) inapokuwa hivyo, hakuna korrelasheni; kwenye mpaka wa koni ya mwanga \(n=t\), ishara hupungua kwa namna inayodhibitiwa kulingana na \(h\).

Katika nukta ya Clifford ya \(h=0\), sharti

\[ C_n(t)=1 \]

hutimizwa. Kwa thamani za \(h>0\), sharti

\[ |\cos(2h)|<1 \]

linamaanisha kuwa otokorrelasheni hupungua kwa kasi ya kipeo kadiri muda unavyopita.

Korrelasheni ya nyakati mbili hupimwaje katika jaribio halisi?

Si rahisi kupima moja kwa moja opereta ya nyakati mbili tofauti kama \(\hat X_0(0)\hat X_n(t)\) katika kompyuta ya quantum. Sifa ya dual-unitary huwapa watafiti fursa muhimu ya ubadilishaji.

Hali ya mwanzo huandaliwa kama

\[ |\Psi(0)\rangle = |+\rangle_0 \otimes |\psi_{\mathrm{Bell}}\rangle^{\otimes\lfloor(N-1)/2\rfloor} \]

katika usemi huo. Hapa,

\[ |\psi_{\mathrm{Bell}}\rangle = \frac{|00\rangle+|11\rangle}{\sqrt2}. \]

Kutokana na maandalizi haya, katika nukta ya dual-unitary otokorrelasheni ya halijoto isiyo na kikomo inaweza kupunguzwa hadi kipimo kimoja cha thamani tarajiwa ya eneo dogo mwishoni mwa saketi:

\[ C_n(t) = \langle\Psi(0)| \hat X_n(t) |\Psi(0)\rangle. \]

Urahisishaji huu una jukumu muhimu katika kufanya tatizo la korrelasheni ya miili mingi ya qubit 91 liweze kushughulikiwa kwenye maunzi halisi.

Kiwango cha kifizikia cha maunzi

Majaribio yalifanywa kwenye kichakataji cha IBM Quantum Eagle chenye qubit 127 za transmon za masafa yasiyobadilika, ibm strasbourg. Watafiti walichagua minyororo ya mwelekeo mmoja ya qubit 51, 71 na 91 yenye metriki zinazofaa zaidi za ubora kwenye kifaa.

Milango ya ECR na kwa nini kelele ni muhimu?

Katika maunzi yenye upitishaji mkuu wa umeme, milango ya echoed cross-resonance, yaani ECR, hutumiwa kama operesheni ya msingi ya kuunganisha kwa mfungamano qubit mbili. Milango hii ni sawa na mwingiliano wa aina ya CNOT hadi kwenye mabadiliko ya eneo dogo.

Kila hatua ya muda ya brickwork huvunjwa kuwa safu sambamba za ECR zilizotenganishwa na milango ya qubit moja. Kina cha saketi kinapoongezeka, makosa madogo ya kila safu hujikusanya na kusababisha korrelasheni inayopimwa kupungua kwa haraka zaidi kuliko dinamiki halisi ya kifizikia.

Kielelezo 1(e) katika ukurasa wa 2 wa chanzo kinaonyesha wazi jinsi ishara katika jaribio ghafi la qubit 91 inavyodidimia mapema kuliko korrelasheni halisi ya dual-unitary; katika paneli 1(f) ya kielelezo hichohicho, ishara baada ya TEM inarudishwa karibu na mkunjo unaotarajiwa.

Tensor-Network Error Mitigation Hupunguzaje Kelele?

Badala ya kurekebisha kelele kimwili ndani ya kichakataji cha quantum, TEM hujifunza chaneli ya kelele ya kifaa, huunda makadirio ya kinyume chake kama mtandao wa tensa wa opereta ya zao la matriki, kisha hukadiria kiasi bora kinachoonekana kwa kuweka upya uzani wa matokeo ya vipimo yaliyo kamili kiutaarifa katika hatua ya uchakataji wa kawaida unaofuata.

Mbinu hii si urekebishaji wa makosa ya quantum

Mbinu ya TEM iliyotumiwa katika utafiti haipaswi kuchanganywa na urekebishaji wa makosa ya quantum. Katika urekebishaji wa makosa, qubit halisi hulindwa kwa qubit za ziada za msimbo na vipimo vya sindromu. TEM, kwa upande mwingine, huchakata data za vipimo kwa njia ya kawaida baada ya saketi ya quantum kukamilika, bila kuhitaji usimbaji wa ziada wa qubit za kimantiki.

Katika hali bora, chaneli ya kelele \(\mathcal N\) hubadilisha hali bora

\[ \rho_{\mathrm{ideal}} \]

kuwa hali yenye kelele

\[ \rho_{\mathrm{noisy}} = \mathcal N(\rho_{\mathrm{ideal}}) \]

kwa namna iliyoonyeshwa.

TEM hujaribu kuunda ramani ya kinyume inayokaribia

\[ \mathcal M \approx \mathcal N^{-1} \]

katika uhusiano huo.

Ramani hii ya kinyume si lazima iwe chaneli halisi ya quantum; kwa hiyo, si lazima itekelezwe moja kwa moja katika maunzi. Badala yake, kiasi kinachoonekana hubadilishwa kwa njia ya kawaida:

\[ \langle O\rangle_{\mathrm{ideal}} \approx \operatorname{Tr} \left[ \rho_{\mathrm{noisy}} \mathcal M^\dagger(O) \right]. \]

Modeli ya kelele hujifunzaje?

Watafiti huunda modeli ya kelele za safu za ECR kwa chaneli za Pauli-Lindblad zenye vipengele vichache visivyo sifuri:

\[ \mathcal L(\rho) = \sum_i \lambda_i \left( P_i\rho P_i^\dagger-\rho \right). \]

Hapa, \(P_i\) huwakilisha opereta za Pauli za qubit moja na za qubit mbili zilizo majirani wa karibu zaidi, na \(\lambda_i\) huwakilisha viwango husika vya jenereta ya kelele.

Pauli twirling inapotumiwa, athari ya makosa koherenti hukaribishwa kuwa chaneli stokastiki ya aina ya Pauli. Kisha uaminifu wa Pauli hutolewa kwa majaribio ya aina ya cycle-benchmarking.

Mojawapo ya ubunifu wa kiufundi wa utafiti ni kutumia nukta ya Clifford ya \(h=0\) katika modeli ya kicked-Ising kama saketi ya ziada ya kujifunza, ili kuweka mipaka bora zaidi kwa baadhi ya jozi za uaminifu wa Pauli ambazo ujifunzaji wa kawaida wa kelele hauwezi kutenganisha.

Kwa nini middle-out contraction inahitajika?

TEM huwakilisha ramani ya kinyume ya kelele kama opereta ya zao la matriki, yaani MPO. Ramani ingezidishwa moja kwa moja safu kwa safu, kipimo cha kifungo kingekua haraka na kingeweza kufanya ukokotoaji kuwa wa gharama ya kipeo.

Badala yake, watafiti hutumia mkakati wa middle-out contraction, unaotoka katikati ambako saketi bora na saketi yenye kinyume cha kelele hugusana, kisha kuendelea kuelekea nje:

\[ M_l = U_l \circ \Lambda_l^{-1} \circ M_{l-1} \circ U_l^{-1}. \]

Katika kila hatua, operesheni bora na kinyume chake zilizo karibu hufutana kwa kiasi kikubwa; kwa hiyo, MPO inayotokea hubaki karibu na opereta ya utambulisho na inaweza kubanwa.

Kwa nini kipimo ni kamili kiutaarifa?

Kiasi kinachoonekana kilichobadilishwa baada ya TEM huenda kisiwe na kipengele kimoja tu cha Pauli. Kwa hiyo, misingi ya vipimo ya \(X\), \(Y\) na \(Z\) huchaguliwa kwa nasibu katika kila qubit ili kukusanya data zilizo kamili kiutaarifa.

Kwa qubit ya ishara, uchukuaji wa sampuli za vipimo umepewa uzani mkubwa hasa katika mwelekeo wa \(X\):

\[ p_X=0.8,\qquad p_Y=0.1,\qquad p_Z=0.1. \]

Kwa qubit nyingine, misingi mitatu ya Pauli huchaguliwa kwa uwezekano sawa.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Hatua ya kwanza: uthibitishaji kwenye nukta ya dual-unitary inayotatulika kikamilifu

Watafiti kwanza walitumia nukta ya dual-unitary

\[ J=b=\frac{\pi}{4} \]

kupima usahihi wa maunzi ya quantum yaliyopunguziwa makosa.

Kigezo cha uga

\[ h\in\{0,\;0.05,\;0.10,\;0.15\} \]

na ukubwa wa mfumo

\[ N\in\{51,\;71,\;91\} \]

ndivyo vilivyochaguliwa.

Kielelezo 2 katika ukurasa wa 3 wa chanzo ndicho matokeo makuu ya uthibitishaji wa majaribio haya. Pointi ghafi za vipimo hupungua kwa haraka zaidi kwa namna ya kimfumo kuliko mkunjo wa kinadharia wa korrelasheni kutokana na kelele, ilhali matokeo yaliyopunguziwa makosa kwa TEM hukaribia sana mikunjo ya kiuchanganuzi.

Hasa kiwango cha kudidimia kwa fonkseni ya korrelasheni kinapotolewa, thamani zilizopunguziwa makosa huonekana kulingana vizuri na konstanti ya kinadharia ya kudidimia. Kiwango hiki cha kudidimia ni kiasi cha ulimwengu wote kisichotegemea ukubwa wa mfumo.

Je, Matokeo ya Qubit 91 Hayawezi Kweli Kuthibitishwa kwa Njia ya Kawaida?

Uigaji kamili wa vekta ya hali na mbinu ya mtandao wa tensa katika taswira ya Schrödinger iliyotumiwa katika utafiti si ya vitendo au haijafikia muunganiko katika kiwango hiki; hata hivyo, kwa sababu kiasi cha eneo dogo kilichochaguliwa kina mfungamano mdogo wa opereta katika taswira ya Heisenberg, uigaji wa mitandao ya tensa unaweza kufikia muunganiko. Kwa hiyo, utafiti unaonyesha si ubora wa jumla wa ukokotoaji wa kawaida, bali utawala wa mpakani kati ya quantum na ukokotoaji wa kawaida ambamo uthibitishaji wa kawaida hutegemea sana mbinu na kiasi kinachoonekana.

Hatua ya pili: kuondoka kwenye nukta inayotatulika kikamilifu

Baada ya kuthibitisha nukta ya dual-unitary, watafiti huweka \(J=\pi/4\) bila kubadilika na kubadilisha kigezo cha uga wa kuvuka \(b\) kuwa

\[ b=\frac{\pi}{4}+\delta b \]

, kisha huchunguza takribani masafa

\[ \delta b\in[-0.15,\,0.15] \]

hayo.

Katika hatua hii, muundo wa dual-unitary hupotea, kwa hiyo suluhisho kamili la awali la korrelasheni halitumiki tena. Aidha, ingawa hali ileile ya mwanzo na kipimo kilekile vinatumiwa, \(\langle X_n(t)\rangle\) haiwezi tena kutafsiriwa kama otokorrelasheni ya halijoto isiyo na kikomo katika utawala ulio nje ya dual-unitary.

Kielelezo 3 katika ukurasa wa 4 wa chanzo kinaonyesha, kwa kila \(N\), wakati wa juu kabisa

\[ t=\frac{N-1}{2} \]

ambapo uchunguzi wa \(b\) unafanywa:

Kwa nini taswira za Schrödinger na Heisenberg hutoa matokeo tofauti?

Katika uigaji wa taswira ya Schrödinger, hali nzima ya quantum huendelezwa kwa muda. Mfungamano ambao mwanzoni ni wa eneo dogo kupitia jozi za Bell hubadilishwa haraka na milango yenye machafuko kuwa wa masafa marefu.

Kwa hiyo, hata kwa kipimo cha kifungo

\[ \chi=1500 \]

kilichotumiwa na watafiti, hesabu za mtandao wa tensa katika taswira ya Schrödinger hazikufikia muunganiko.

Katika taswira ya Heisenberg, badala ya hali nzima, kiasi lengwa kinachoonekana pekee

\[ O=\hat X_n \]

huendelezwa kinyumenyume kupitia saketi.

Katika tatizo hili maalumu, mfungamano tendaji wa opereta ya kiasi kinachoonekana hubaki mdogo zaidi. Katika ulinganisho wa maandishi makuu, matokeo ya taswira ya Heisenberg yanayotumia

\[ \chi=500 \]

yanalingana sana na data za majaribio za TEM. Majaribio ya muunganiko katika Taarifa za Ziada yanaonyesha kuwa katika hali nyingi hata vipimo vidogo zaidi vya vifungo vinaweza kutoa makadirio yanayotosha.

Tofauti hii ni muhimu sana: saketi ileile ya qubit 91 inaweza kuwa ngumu mno kwa swali la “kokotoa hali nzima ya quantum”, lakini ikawa rahisi kufikiwa zaidi kwa njia ya kawaida kwa swali la “kokotoa kiasi fulani cha eneo dogo kinachoonekana”.

Kiwango cha namba cha jaribio kubwa zaidi

Kwa seti ya data ya qubit 91, jaribio, pamoja na ujifunzaji wa kelele na upunguzaji wa makosa, lilifanywa kwa takribani saa 3 na dakika 24 za muda halisi uliopita.

Kwa kila nukta ya vigezo vya modeli:

\[ 256 \]

saketi tofauti zilizowekewa unasibu zilitumiwa, na kwa kila saketi

\[ 1024 \]

marudio ya kipimo yalitumiwa. Hivyo, kwa kila nukta ya data, jumla ya

\[ 256\times1024 = 262\,144 \]

sampuli za vipimo zilipatikana.

Kwa matokeo ya qubit 91 yaliyopunguziwa makosa, operesheni ya middle-out contraction ya TEM katika maandishi makuu ilitekelezwa kwa kipimo cha kifungo cha MPO

\[ \chi=70 \]

hicho.

Faida ya TEM kwa gharama ya uchukuaji wa sampuli

Taarifa za Ziada zinalinganisha TEM na ufutaji wa makosa wa kiuwezekano (PEC) na ekstrapolesheni hadi kelele sifuri (ZNE) kwa upande wa mzigo wa ziada wa uchukuaji wa sampuli.

Uwiano huu ni ulinganisho uliotolewa katika chanzo wa gharama za uchukuaji wa sampuli zinazohitajika kufikia kiwango kilekile cha makosa ya nasibu. Hasa katika saketi kubwa zaidi, TEM inaonekana kutoa gharama yenye faida kubwa zaidi ya uchukuaji wa sampuli kwa modeli hii na utawala huu wa kelele.

Je, upunguzaji wa kelele hauna dosari?

Hapana. Chanzo kinajadili wazi kwamba katika saketi kubwa matokeo yaliyopunguziwa makosa yanaweza kuonyesha mkengeuko mdogo lakini wa kimfumo kutoka kwenye nadharia.

Miongoni mwa sababu zinazowezekana:

• usahihi mdogo katika kujifunza kelele,
• modeli ya Pauli-Lindblad yenye vipengele vichache visivyo sifuri kutowakilisha kikamilifu kelele halisi za kifaa,
• vipengele vya kelele vya mpangilio wa juu au vya majirani wa mbali,
• makosa koherenti yaliyobaki,
• kuvuja kwa transmon nje ya nafasi ndogo ya ukokotoaji,
• mkusanyiko wa makosa madogo ya modeli katika ujazo mkubwa wa saketi

zinatajwa.

Vipimo vya kulinganisha vya saketi za kioo katika Taarifa za Ziada vinaonyesha kuwa baadhi ya kiasi kinachoonekana huharibika zaidi katika jaribio kuliko modeli ya kelele inavyotabiri. Kwa hiyo, mojawapo ya mipaka ya juu ya usahihi wa TEM ni jinsi modeli ya kelele inayojaribiwa kugeuzwa kuwa kinyume inavyokieleza kifaa halisi kwa usahihi.

Hitimisho linaloungwa mkono na utafiti

• Saketi za dual-unitary kicked-Ising zinaweza kutoa kipimo cha kulinganisha kinachodhibitika kiuchanganuzi kwa kuthibitisha ukokotoaji mkubwa wa quantum usio wa Clifford.
• Saketi za qubit 51, 71 na 91 zimeendeshwa kwa majaribio kwenye kichakataji cha IBM chenye upitishaji mkuu wa umeme.
• Kelele ghafi za maunzi hukandamiza ishara ya otokorrelasheni kwa haraka zaidi kuliko nadharia bora.
• Baada ya upunguzaji wa makosa kwa TEM, korrelasheni za dual-unitary hukaribia kwa kiasi kikubwa nadharia ya kiuchanganuzi.
• Konstanti za kudidimia zilizopunguziwa makosa zinalingana sana na thamani za kinadharia katika ukubwa wa mifumo iliyochunguzwa.
• Nukta ya dual-unitary inapoachwa, matokeo ya majaribio yanalingana sana na matokeo ya mtandao wa tensa ya taswira ya Heisenberg yaliyofikia muunganiko.
• Hesabu za mtandao wa tensa katika taswira ya Schrödinger huwa ngumu zaidi katika saketi zilezile na hazifikii muunganiko kwa thamani ya \(\chi=1500\) iliyotumiwa.
• Kuunganisha maunzi ya quantum na uchakataji wa kawaida wa baadaye kwa mtandao wa tensa kunaweza kuongeza ukubwa wa matatizo yanayofikiwa kabla ya kustahimili makosa.

Hitimisho lisiloungwa mkono na utafiti

• Kutumia qubit 91 pekee si uthibitisho wa ubora wa jumla wa ukokotoaji wa quantum.
• Utafiti hauonyeshi kuwa kompyuta za kawaida haziwezi kukokotoa kila kiasi husika kinachoonekana; hesabu za mtandao wa tensa katika taswira ya Heisenberg hufikia muunganiko kwa kiasi kilichochaguliwa.
• TEM si urekebishaji kamili wa makosa ya quantum unaoondoa makosa ya kifizikia kutoka kwenye saketi.
• Matokeo yaliyopunguziwa makosa si yasiyo na makosa kabisa; dosari katika modeli ya kelele zinaweza kuunda upendeleo wa kimfumo uliobaki.
• Suluhisho kamili la kiuchanganuzi katika nukta ya dual-unitary haliwezi kutumiwa katika eneo lote la vigezo lililo nje ya dual-unitary.
• Kauli ya “yenye machafuko ya juu kabisa” iliyotumiwa katika utafiti haimaanishi kuwa kila kipimo kinachowezekana cha machafuko ya quantum kiko kwenye kiwango cha juu kabisa.
• Utafiti hauthibitishi kuwa matatizo yote ya quantum ya miili mingi yenye machafuko yanaweza kutatuliwa kwa kuaminika kwenye vichakataji vya sasa vya quantum.
• Hakuna dai kwamba kompyuta ya quantum inayostahimili makosa imepatikana; kichakataji kilichotumiwa kiko wazi katika utawala wa kabla ya kustahimili makosa.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Kichwa cha asili:Dynamical simulations of many-body quantum chaos on a quantum computer.

Waandishi: Laurin E. Fischer, Matea Leahy, Andrew Eddins, Nathan Keenan, Davide Ferracin, Matteo A. C. Rossi, Youngseok Kim, Andre He, Francesca Pietracaprina, Boris Sokolov, Shane Dooley, Zoltán Zimborás, Francesco Tacchino, Sabrina Maniscalco, John Goold, Guillermo García-Pérez, Ivano Tavernelli, Abhinav Kandala na Sergey N. Filippov.

Chanzo kilichopakiwa: arXiv:2411.00765v1 [quant-ph], 1 Novemba 2024.

Upeo wa chanzo: Faili iliyopakiwa ina kurasa 32, zikiwemo kurasa 7 za maandishi makuu na kurasa 23 za Taarifa za Ziada. Nyenzo za ziada zinaeleza kwa kina uoanishaji wa brickwork wa modeli ya kicked-Ising, utoaji wa dual-unitary wa fonkseni za korrelasheni, utambuzi wa sifa za kifaa, ujifunzaji wa kelele, TEM, vipimo vilivyo kamili kiutaarifa, uigaji wa mitandao ya tensa wa Schrödinger/Heisenberg na uchanganuzi wa muunganiko.

Chapisho la sasa lililopitiwa na wataalamu: Utafiti ulichapishwa baadaye katika Nature Physics 22, 302–307 (2026).

DOI: 10.1038/s41567-025-03144-9.

Tarehe ya uchapishaji: 20 Januari 2026.

Kikomo cha maudhui ya kisayansi: Mpangilio wa majaribio, milinganyo ya modeli, matokeo ya qubit 51/71/91, sifa za kifaa, mbinu ya TEM na ulinganisho wa uigaji wa kawaida katika makala hii ya Verianla vimetolewa katika toleo la arXiv v1 lililopakiwa. Toleo la Nature Physics lilitumiwa tu kuthibitisha chapisho la sasa na DOI.

Taasisi za majaribio: Taasisi mbalimbali zinashiriki katika utafiti, zikiwemo IBM Quantum, Algorithmiq, Trinity College Dublin, EPFL, University of Milan na HUN-REN Wigner Research Centre for Physics.

Ufadhili: Chanzo kilichopakiwa kinaripoti msaada ukiwemo wa programu ya European Union Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie MOQS, NCCR MARVEL / Swiss National Science Foundation na SFI-IRC Pathway Grant.

Mgongano wa maslahi: Preprint iliyopakiwa inaeleza kuwa baadhi ya vipengele vya utafiti vimejumuishwa katika maombi ya hataza yaliyowasilishwa na Algorithmiq Oy kwa Ofisi ya Hataza ya Ulaya na Ofisi ya Hataza ya Marekani.

Rasilimali za ukokotoaji wa kawaida: Uigaji wa mitandao ya tensa ulifanywa katika mazingira ya Python na Julia kwa kutumia Quimb na ITensor, kwenye makundi ya kompyuta yenye utendaji wa juu ya Karolina na Leonardo pamoja na mashine pepe za Microsoft Azure.

Matumizi ya vielelezo: Mchoro wa saketi/koni ya mwanga/TEM uliotolewa katika maudhui haya si uzalishaji wa moja kwa moja wa kielelezo cha chanzo. Umechorwa upya mahususi kwa Verianla ili kueleza muundo wa kisayansi wa chanzo. Grafu za majaribio za chanzo zinapaswa kuundwa upya tu kutoka kwenye data ghafi zinazoaminika.

Verianla Live: Utafiti unafaa sana kwa Live Figure. Uhuishaji wenye maana zaidi ni kuenea kwa opereta ya \(X\) kupitia koni ya mwanga katika saketi ya brickwork, korrelasheni inayobaki kwenye mpaka wa \(n=t\), kisha ulinganisho wa ishara ileile kati ya safu tatu za “bora / maunzi ghafi / baada ya TEM”. Uchunguzi wa \(b-\pi/4\) nje ya dual-unitary unaweza kutumiwa kama moduli ya pili ya Live.