Energia sięgająca poniżej zera
W centrum eksperymentu znalazł się 73-kubitowy procesor o strukturze przypominającej plaster miodu. Zespół wykorzystał hybrydową metodę łączącą obliczenia kwantowe z klasycznymi, znaną jako wariacyjny układ kwantowy (VQC). Celem było wytrenowanie procesora do osiągnięcia czegoś, co w klasycznej fizyce uznaje się za absolutnie niemożliwe. Zadanie brzmiało prosto: osiągnąć stan o energii niższej niż zero. W świecie opisywanym przez klasyczną fizykę to czysty absurd, wszak najniższy możliwy poziom energii to zero. Wyobraźmy sobie piłkę leżącą nieruchomo na podłodze – to jej stan o minimalnej energii. Jednak w rzeczywistości kwantowej, dzięki splątaniu kwantowemu, ta sama piłka może mieć energię poniżej tego absolutnego minimum.
Czytaj też: Uniwersalny przycisk zmienia fizykę kwantową. Naukowcy czynią cuda jednym ruchem
Efekt? Procesor osiągnął energię niższą od klasycznego minimum o 48 odchyleń standardowych. To wynik statystycznie tak pewny, iż prawdopodobieństwo przypadku jest znikome. Naukowcom udało się potwierdzić nielokalne korelacje w grupach po 24 kubity jednocześnie. To rekordowa liczba zweryfikowanych w ten sposób kubitów. Klucz do zrozumienia tego osiągnięcia leży w splątaniu kwantowym, czyli zjawisku, które Einstein określał mianem upiornego działania na odległość. Podczas gdy klasyczny bit może przyjmować wartość 0 lub 1, kubit istnieje w superpozycji obu stanów jednocześnie, aż do momentu pomiaru.
Splątanie posuwa tę koncepcję jeszcze dalej. Gdy dwa kubity zostają splątane, pomiar stanu jednego natychmiast determinuje stan drugiego, niezależnie od dzielącej je odległości. W kategoriach fizyki klasycznej to tak, jakby wynik rzutu monetą w Warszawie miał bezpośredni wpływ na wynik rzutu w Nowym Jorku – coś kompletnie nie do pomyślenia. Badacze posłużyli się nierównością Bella – matematyczną granicą tego, co możliwe w teoriach klasycznych. Gdy korelacje między zmierzonymi wynikami przekraczają ten limit, system musi być nielokalny, czyli prawdziwie kwantowy. To ostateczny dowód, że „upiorne działanie” to nie matematyczna sztuczka, lecz realna cecha natury.
Praktyczne narzędzie dla kwantowych inżynierów
Opracowana metoda stanowi praktyczne narzędzie dla inżynierów pracujących nad przyszłymi komputerami kwantowymi. Pozwala certyfikować wydajność różnych architektur i identyfikować momenty, w których stany kwantowe ulegają dekoherencji, tracąc swoje unikalne właściwości na rzecz zachowań klasycznych. Dla rozwijającej się branży kwantowej to kamień milowy porównywalny z wynalezieniem miernika napięcia dla elektryków. Wreszcie istnieje obiektywny sposób na sprawdzenie, czy maszyna faktycznie wykonuje to, co deklaruje. W miarę jak komputery kwantowe stają się coraz większe i bardziej złożone, tego typu narzędzia weryfikacyjne będą odgrywać kluczową rolę w ich rozwoju.
Czytaj też: Japońscy fizycy na świecznikach. Ich metoda pomiarów kwantowych ma 87% skuteczności
Naukowcy zaznaczają, że ich praca wyznacza nowy standard weryfikacji aktywności kwantowej. Z czasem te techniki mogą stać się podstawą certyfikacji komputerów kwantowych, umożliwiając budowę jeszcze potężniejszych maszyn. To bez wątpienia solidny fundament pod przyszłość obliczeń przekraczających granice klasycznej fizyki. Z drugiej strony, komputery kwantowe wciąż znajdują się w fazie eksperymentalnej, a ich praktyczne wykorzystanie pozostaje odległe. Nowa metoda weryfikacji to ważny krok naprzód, choć nie rozwiązuje wszystkich problemów stojących przed tą technologią. Wyzwania takie jak utrzymanie stabilności kubitów czy skalowanie systemów nadal wymagają intensywnych badań.