Новий підхід до створення справжньої квантової випадковості за допомогою неглибоких схем із блоками кубітів дозволяє уникнути руйнування квантових станів.

У квантових обчисленнях випадковість — це не шум, а «потужний ресурс» (Рупендра Брахамбхатт), необхідний для криптографії та моделювання природи. Проблема полягає в тому, що традиційні схеми потребують довгих ланцюгів операцій, які порушують «крихкі квантові стани» й обмежують генерацію випадковості у великих системах. Щоб обійти це, дослідники з Caltech розробили метод поділу системи на менші блоки кубітів з короткими послідовностями операцій.

Цей підхід спирається на поняття «унітарного дизайну» — математичного опису випадковості квантової системи. Замість складних схем вони використали логарифмічну глибину, досягнуту за допомогою «хитрого методу шарування» кубітів. Автори пояснили: «Ми показали, що випадкові унітарні операції можуть бути природно згенеровані в схемах з надзвичайно низькою глибиною». Це дозволяє отримати майже ідеальну випадковість із меншими ресурсами та знизити ризик порушення квантового стану.

Отриманий результат має не лише прикладне, а й фундаментальне значення для фізики. Команда підкреслила, що швидкість появи випадковості обмежує можливість спостереження квантових систем. «Наші результати показують, що кілька фундаментальних фізичних властивостей — час еволюції, фази речовини та причинно-наслідкова структура — доведено, що їх важко вивчити за допомогою звичайних квантових експериментів», — зазначають автори. Це ставить під сумнів можливість повного пізнання квантових процесів через експеримент.

Дослідники планують випробувати модель на реальному обладнанні та перевірити, як неглибокі випадкові схеми допоможуть дослідити межі квантового експерименту. Це може стати кроком до демонстрації квантової переваги на простішому обладнанні та прискорити впровадження безпечних криптографічних протоколів і симуляцій природних процесів.