Как шум превращает порядок в хаос на квантовом чипе ⚡ экспресс
Около сорока лет исследований хаоса в изолированных квантовых системах привели к открытию универсальных сигнатур — отталкивания уровней и термализации собственных состояний. В диссипативных открытых системах эти свойства только начинают изучаться. Впервые экспериментально обнаружен диссипативный квантовый хаос путем измерения комплексных отношений расстояний между уровнями (complex spacing ratios, CSR) в многочастичных схемах на сверхпроводящем квантовом процессоре с высокой точностью. С помощью градиентной томографии получено распределение CSR в форме «пончика» для хаотических диссипативных схем — признак отталкивания уровней в открытых системах. Для интегрируемой схемы наблюдается резкий пик в нуле, что указывает на отсутствие корреляций спектра. При увеличении глубины интегрируемой диссипативной схемы происходит кроссовер от интегрируемости к хаосу, доказывая, что собственный шум процессора представляет собой диссипативный хаотический процесс. Результаты раскрывают универсальные спектральные особенности диссипативных многочастичных систем и превращают современные квантовые вычислительные платформы в испытательные стенды для диссипативных квантовых явлений.
Энергетические уровни квантовой системы можно представить как людей, стремящихся сохранить дистанцию. В упорядоченном режиме они теснятся предсказуемо, но стоит добавить хаос — и они разбегаются по кругу, образуя «бублик»: плотное кольцо с пустотой в центре. Именно такую картину впервые увидели физики, запустив на квантовом чипе две программы — упорядоченную и хаотичную. С помощью спектроскопии (прослушивания «нот» атомов) они измерили расстояния между уровнями. В хаотичном случае те действительно держались на почтительном расстоянии, создавая фигуру бублика. Но главное открытие случилось, когда упорядоченную программу удлинили: внутренний шум чипа — утечка энергии, вызывающая рост энтропии — сам превратил порядок в хаос. Оказалось, что даже крошечные несовершенства, которые считаются помехой для вычислений, делают любой квантовый процессор готовой лабораторией для изучения хаоса. Как заметил ещё Ричард Фейнман и развил Дэвид Дойч, квантовые компьютеры способны моделировать такие тонкие эффекты, не описываемые простой стандартной моделью изолированных систем.
🎯 Небольшие потери энергии, как в чашке кофе или на валютной бирже, способны порождать хаос — именно это и показал квантовый чип.
🎬 В сериале «Разрабы» квантовый компьютер предсказывает будущее через детерминированный хаос; реальные чипы ещё капризнее — шум всё смазывает.