Новый тип квантовых компьютеров основан на теории относительности

Специальная теория относительности может быть использована для создания нового типа квантового компьютера, а такой подход позволит применять машинное обучение для углубления нашего понимания квантового мира.

Теория специальной относительности Альберта Эйнштейна описывает, как движение со скоростью, близкой к скорости света, влияет на восприятие пространства и времени. Эти идеи — не просто плоды мысленных экспериментов: они критически важны для таких технологий, как спутниковая связь и GPS.

Т. Рик Перш из Института теоретической физики «Периметр» и его коллеги считают, что релятивистские эффекты могут помочь в разработке особого вида квантового компьютера. Они построили наиболее полную и детальную на сегодняшний день математическую модель для его создания. Результаты представлены в статье для Physical Review Letters.

Ранее исследователи изучали, как некоторые квантовые вычислительные операции могут возникать из-за релятивистских эффектов. Например, два квантовых бита, или кубита, могут стать связанными посредством квантовой запутанности при движении относительно друг друга с очень высокой скоростью. Но до сих пор не было «рецепта», как объединить все эти операции в полную математическую модель компьютера.

«Как если бы они сказали: “Эй, у нас есть мука, вода и дрожжи — очевидно, можно испечь хлеб”. А мы подробно расписали, сколько дрожжей, сколько муки, в каком порядке, сколько воды», — объясняет Перш.

Он и его коллеги обратились к математике релятивистской квантовой теории информации, которая объясняет, как сверхбыстрое движение и взаимодействия могут изменять информацию, закодированную в кубитах. Она также учитывает эффекты взаимодействия кубитов с квантовыми полями, пронизывающими все пространство.

Исследователи использовали машинное обучение и написали короткие квантовые программы. Затем они применили алгоритм, чтобы определить, как должны двигаться кубиты компьютера для выполнения этих программ.

Ученые протестировали свой метод, выяснив, как их релятивистский квантовый компьютер мог бы выполнять алгоритм квантового преобразования Фурье. Это относительно простая, но универсальная программа, которая полезна всем исследователям в области квантовых вычислений, говорит Филип Лёмэтр из Инсбрукского университета в Австрии. Например, это часть алгоритма Шора — квантовой программы, способной взламывать шифрование путем факторизации больших чисел.

Эдуардо Мартин-Мартинес из Университета Ватерлоо в Канаде назвал эту работу значительным прорывом в создании квантовых компьютеров на основе теории относительности: «Авторы тщательно и систематически демонстрируют, что такая схема действительно осуществима».

Предыдущие исследования предполагали, что некоторые варианты релятивистских квантовых компьютеров можно создать с помощью кубитов из сверхпроводящих микросхем. Лёмэтр отмечает, что предложенная его командой схема не обязательно противоречит современным методам построения квантовых компьютеров — но потребуются годы теоретической и инженерной работы, прежде чем такой компьютер станет реальностью.

Но даже до этого модель может привести к новому пониманию как квантовой обработки информации, так и квантовых полей — и предложить глубокий способ связать их, заметил Мартин-Мартинес.

Поскольку машинное обучение — уже часть их подхода, авторы работы намерены изучить, как его можно использовать для исследования новых свойств квантовых полей или даже открытия новых законов физики, которым эти поля подчиняются.