Certifying bipartite entanglement on a superconducting processor from a corrected QAOA cost layer

Im Wettlauf um den Bau nützlicher Quantencomputer arbeiten Wissenschaftler derzeit mit Maschinen, die zwar leistungsstark, aber fragil sind. Diese Geräte, die oft als verrauschte Quantenprozessoren mittlerer Skala (noisy intermediate-scale quantum processors) bezeichnet werden, bestehen aus supraleitenden Schaltkreisen, die Informationen in einem Zustand namens Superposition speichern können, in dem ein Bit gleichzeitig Null und Eins sein kann. Die wahre Magie geschieht jedoch, wenn zwei oder mehr dieser Bits durch ein Phänomen namens Verschränkung miteinander verbunden werden. Wenn Teilchen verschränkt sind, beeinflusst der Zustand des einen augenblicklich den Zustand des anderen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese Verbindung ist der Motor, der Quantenalgorithmen antreibt und es ihnen ermöglicht, bestimmte Probleme viel schneller zu lösen, als es klassische Computer jemals könnten. Da diese Maschinen jedoch sehr empfindlich auf ihre Umgebung reagieren, brechen die Verbindungen zwischen den Teilchen oft ab oder werden schwach, bevor der Computer seine Arbeit beenden kann. Eine zentrale Frage für das Fachgebiet war, ob die komplexen Schaltkreise, die Forscher entwerfen, tatsächlich diese spezielle Verbindung auf echter Hardware erzeugen oder ob die Maschine einfach auf eine Weise versagt, die wie ein Erfolg aussieht.

Eine neue Studie eines Forschungsteams der CUNEF University in Madrid, das an einem supraleitenden Prozessor am Barcelona Supercomputing Center arbeitet, liefert eine definitive Antwort auf diese Frage für einen spezifischen Aufbau. Die Forscher testeten einen Standard-Quantenalgorithmus, der darauf ausgelegt ist, Optimierungsprobleme zu lösen, was die Anordnung einer Reihe von Operationen beinhaltet, um die beste Lösung unter vielen Möglichkeiten zu finden. Sie konzentrierten sich auf eine einzelne Schicht dieses Algorithmus, einen Schritt, der dazu gedacht ist, eine Verbindung zwischen zwei spezifischen Qubits herzustellen. Anstatt nur zu prüfen, ob der Computer eine gute Antwort lieferte, führten sie eine tiefgehende, forensische Untersuchung des Outputs der Maschine durch. Sie rekonstruierten den exakten Zustand der zwei Qubits nach der Operation und maßen eine spezifische Eigenschaft, die beweist, dass sie tatsächlich verschränkt waren. Das Ergebnis war eindeutig: Auf einer gut funktionierenden Verbindung innerhalb des Chips erzeugte die Maschine echte Verschränkung. Die Stärke dieser Verbindung wurde mit einem Wert von 0,077 gemessen, einer Zahl, die zwar klein, aber statistisch signifikant war und über sechs verschiedene Testtage hinweg als real bestätigt wurde. Entscheidend war, dass die Verschränkung vollständig verschwand, wenn sie die Verbindung zwischen den Qubits ausschalteten, was bewies, dass die Verbindung kein Artefakt des Hintergrundrauschens der Maschine oder ein Trick der Messung war.

Die Studie geht darüber hinaus, indem sie zeigt, was diese fragile Verbindung steuert. Die Forscher behandelten die Maschine wie ein Laborinstrument, das sie abstimmen konnten, anstatt wie eine Black Box. Sie passten die Stärke des elektrischen Impulses, der die Verbindung zwischen den Qubits erzeugt, bewusst an. Indem sie die Amplitude dieses Impulses senkten, beobachteten sie einen direkten, kausalen Abfall der Stärke der Verschränkung. Dies bestätigte, dass der physische Antrieb der Maschine, nicht nur das abstrakte Design des Codes, der entscheidende Faktor war. Sie entdeckten jedoch auch, dass diese Beziehung keine einfache gerade Linie ist, die ewig weitergeht. Die Verbindungsstärke erreicht einen Spitzenwert und beginnt dann zu sinken, wenn der Impuls zu stark getrieben wird, ganz ähnlich wie ein Radiosignal, das bis zu einem gewissen Punkt klarer wird und sich dann verzerrt, wenn man die Lautstärke zu hoch dreht. Diese Nuance ist wichtig, da sie zeigt, dass die bloße Erhöhung der Leistung der Maschine nicht zwangsläufig bessere Ergebnisse garantiert; die Kontrolle muss präzise sein.

Die vielleicht wichtigste Erkenntnis der Arbeit ist, was passiert, wenn die Forscher versuchen, den Algorithmus tiefer und komplexer zu gestalten. In der Welt des Quantencomputings wird das Hinzufügen von mehr Schichten zu einem Algorithmus oft als Weg gesehen, der perfekten Antwort näher zu kommen. In dieser Studie fanden die Forscher jedoch, dass das Hinzufügen von nur zwei weiteren Schichten zu ihrem Schaltkreis dazu führte, dass die Verschränkung vollständig verschwand. Die Verbindung, die im ersten Schritt noch stark war, brach bis zum dritten Schritt auf Null zusammen, obwohl das theoretische Design suggerierte, dass sie noch vorhanden sein sollte. Dieser Zusammenbruch geschah so schnell, dass die Maschine den komplexen Schaltkreis nicht aufrechterhalten konnte. Das Team testete auch eine größere Gruppe von Problemen auf dieser tieferen Ebene und fand keinen Hinweis darauf, dass der Computer sie besser als durch Zufall löste. Sie gaben sorgfältig an, dass die gewählten Probleme tatsächlich sehr einfach waren und von einem Standardcomputer sofort gelöst werden könnten, sodass es keinen Anspruch auf einen Geschwindigkeitsvorteil gab. Der Wert der Arbeit liegt nicht darin, ein schweres Problem zu lösen, sondern darin, rigoros zu beweisen, was die Maschine kann und was nicht.

Die Forscher befassten sich auch mit einer häufigen Falle auf diesem Gebiet: dem Risiko, dass ein Computer scheinbar funktioniert, weil es einen Fehler in der Art und Weise gibt, wie die Anweisungen geschrieben wurden. Sie entdeckten einen Fehler in einem vorherigen Versuch, bei dem der von ihnen verwendete Code versehentlich genau die Verbindung aufhob, die sie eigentlich aufbauen wollten. Um dies in Zukunft zu verhindern, bauten sie eine Sicherheitsprüfung in ihren Prozess ein, die die Korrektheit der Anweisungen überprüft, noch bevor die Maschine überhaupt mit dem Betrieb beginnt. Sie verglichen ihre Ergebnisse auch mit einer einfacheren Methode zur Überprüfung der Verschränkung, die schneller, aber weniger präzise ist. Sie fanden heraus, dass diese schnellere Methode zwar einen Hinweis darauf gab, dass Verschränkung vorhanden war, aber nicht stark genug war, um sie auf dieser spezifischen Maschine mit Sicherheit zu beweisen. Diese ehrliche Einschätzung der Grenzen verschiedener Messwerkzeuge ist ein wesentlicher Teil ihres Beitrags.

Letztendlich dient dieses Paper als ein strenges Zeugnis für einen einzelnen Quantenprozessor. Es bestätigt, dass die Maschine die essenzielle Quantenverbindung schaffen kann, wenn die Bedingungen stimmen und der Schaltkreis einfach ist. Es beweist, dass diese Verbindung durch die physischen Impulse gesteuert wird, die an den Chip gesendet werden, und dass sie verschwindet, wenn diese Impulse zu schwach sind oder wenn der Schaltkreis zu tief für die Maschine wird. Indem sie Fehler im Code ausschließen, die direkte Ursache-Wirkungs-Beziehung der Steuerungen aufzeigen und zugeben, wo die Maschine versagt, bietet die Studie ein klares, unverfälschtes Bild vom aktuellen Stand der Quantenhardware. Sie zeigt, dass die Technologie zwar in der Lage ist, die grundlegende Physik für das Quantencomputing bereitzustellen, aber noch weit davon entfernt ist, die komplexen, mehrstufigen Programme auszuführen, die für einen praktischen Vorteil nötig wären. Die Arbeit steht als Modell dafür, wie man diese Maschinen misst und über sie berichtet, wobei der Beweis und die Transparenz über den Hype gestellt werden.