Ионы-телепаты: квантовые системы доказали своё превосходство в простой игре
NewsMakerКлассические компьютеры переиграны и уничтожены.
Нам со всех сторон твердят о том, что квантовые компьютеры могут справляться со сложными задачами гораздо быстрее и эффективнее обычных. Однако до сих пор убедительно доказать такое превосходство удавалось лишь в отдельных случаях, да и те касались настолько сложных вычислений и алгоритмов, что разобраться в них могли только специалисты.
Учёные из Оксфордского университета и Университета Севильи нашли изящный способ продемонстрировать преимущество квантовых систем на примере простой и понятной любому человеку логической игры. Результаты их исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
По словам ведущего автора работы Петера Дрмоты, многие громкие заявления о возможностях квантовых технологий не имеют строгого математического обоснования. Далеко не всегда можно доказать, что классические методы действительно не способны достичь таких же результатов. Поэтому было решено обратиться к нелокальным играм - задачам, требующим от участников принимать решения независимо друг от друга, без возможности обмена информацией. В таких играх классические стратегии имеют строго доказуемый предел успеха, который можно математически рассчитать. А значит, любой результат выше этого предела однозначно подтверждает преимущество квантовых методов.
Разработанная учёными игра "odd-cycle" устроена следующим образом. За круглым столом с нечётным числом мест сидят два игрока. Ведущий в случайном порядке указывает каждому участнику на одно место - либо они получают одно и то же, либо соседние. Главная задача - выбрать для своего места один из двух предложенных цветов. При этом действует два правила: если участникам достаётся одно и то же место, они должны выбрать одинаковый цвет, а если соседние - разные. Опять же, общаться между собой нельзя. Какое место получил напарник, человек не знает.
Для реализации квантовой версии игры физики создали пару ионов стронция и поместили их в специальные ловушки, названные "Алиса" и "Боб". Расстояние между ловушками составило два метра. С помощью сложной системы лазеров и электромагнитных полей учёные добились квантовой запутанности между ионами – особого состояния, при котором частицы начинают вести себя как единое целое.
В классическом варианте игры даже самая продуманная стратегия не позволяет выигрывать чаще определённого показателя. Предел физики вычислили с абсолютной точностью. А затем провели тысячи испытаний с квантово-запутанными ионами, которые выступали в роли игроков. В каждом раунде они измеряли состояния частиц, интерпретируя их как выбор цвета. Квантовая система стабильно показывала результаты намного выше классического порога. Статистическая значимость превышения составила 26 сигма – число, практически исключающее любую случайность.
При измерении состояний ионы синхронно меняли свои характеристики, проявляя необъяснимые с точки зрения обычной физики взаимосвязи. Для чистоты эксперимента исследователи перекрыли все возможные пути передачи сигналов между частицами – такую процедуру в науке называют закрытием лазейки детектирования. Благодаря этому удалось зафиксировать рекордный уровень нелокальных корреляций между разнесёнными в пространстве ионами.
Успех эксперимента вдохновил учёных на новые исследования. Особенно перспективной выглядит игра "Магический квадрат", где система из запутанных частиц теоретически способна достигать стопроцентной точности – результата, недоступного для традиционных методов. Хотя безошибочное угадывание напоминает телепатию, на деле этот феномен полностью соответствует законам квантовой механики.
В дальнейших планах - усложнение эксперимента путём добавления новых участников. Следующим этапом станет реализация GHZ-игры, где уже трое и более участников должны согласованно угадывать числа без права на общение. Результаты этих исследований помогут создать надёжные системы квантовой связи, без которых невозможно построить квантовый интернет будущего.
Нам со всех сторон твердят о том, что квантовые компьютеры могут справляться со сложными задачами гораздо быстрее и эффективнее обычных. Однако до сих пор убедительно доказать такое превосходство удавалось лишь в отдельных случаях, да и те касались настолько сложных вычислений и алгоритмов, что разобраться в них могли только специалисты.
Учёные из Оксфордского университета и Университета Севильи нашли изящный способ продемонстрировать преимущество квантовых систем на примере простой и понятной любому человеку логической игры. Результаты их исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
По словам ведущего автора работы Петера Дрмоты, многие громкие заявления о возможностях квантовых технологий не имеют строгого математического обоснования. Далеко не всегда можно доказать, что классические методы действительно не способны достичь таких же результатов. Поэтому было решено обратиться к нелокальным играм - задачам, требующим от участников принимать решения независимо друг от друга, без возможности обмена информацией. В таких играх классические стратегии имеют строго доказуемый предел успеха, который можно математически рассчитать. А значит, любой результат выше этого предела однозначно подтверждает преимущество квантовых методов.
Разработанная учёными игра "odd-cycle" устроена следующим образом. За круглым столом с нечётным числом мест сидят два игрока. Ведущий в случайном порядке указывает каждому участнику на одно место - либо они получают одно и то же, либо соседние. Главная задача - выбрать для своего места один из двух предложенных цветов. При этом действует два правила: если участникам достаётся одно и то же место, они должны выбрать одинаковый цвет, а если соседние - разные. Опять же, общаться между собой нельзя. Какое место получил напарник, человек не знает.
Для реализации квантовой версии игры физики создали пару ионов стронция и поместили их в специальные ловушки, названные "Алиса" и "Боб". Расстояние между ловушками составило два метра. С помощью сложной системы лазеров и электромагнитных полей учёные добились квантовой запутанности между ионами – особого состояния, при котором частицы начинают вести себя как единое целое.
В классическом варианте игры даже самая продуманная стратегия не позволяет выигрывать чаще определённого показателя. Предел физики вычислили с абсолютной точностью. А затем провели тысячи испытаний с квантово-запутанными ионами, которые выступали в роли игроков. В каждом раунде они измеряли состояния частиц, интерпретируя их как выбор цвета. Квантовая система стабильно показывала результаты намного выше классического порога. Статистическая значимость превышения составила 26 сигма – число, практически исключающее любую случайность.
При измерении состояний ионы синхронно меняли свои характеристики, проявляя необъяснимые с точки зрения обычной физики взаимосвязи. Для чистоты эксперимента исследователи перекрыли все возможные пути передачи сигналов между частицами – такую процедуру в науке называют закрытием лазейки детектирования. Благодаря этому удалось зафиксировать рекордный уровень нелокальных корреляций между разнесёнными в пространстве ионами.
Успех эксперимента вдохновил учёных на новые исследования. Особенно перспективной выглядит игра "Магический квадрат", где система из запутанных частиц теоретически способна достигать стопроцентной точности – результата, недоступного для традиционных методов. Хотя безошибочное угадывание напоминает телепатию, на деле этот феномен полностью соответствует законам квантовой механики.
В дальнейших планах - усложнение эксперимента путём добавления новых участников. Следующим этапом станет реализация GHZ-игры, где уже трое и более участников должны согласованно угадывать числа без права на общение. Результаты этих исследований помогут создать надёжные системы квантовой связи, без которых невозможно построить квантовый интернет будущего.