תצפית ניסיונית ללא בחירת-תוצאות על המעבר פאזי הנגרם על ידי מדידה במעגלים עם שערים אוניברסליים

כשהמידע הקוונטי משנה את דעתו — בצפייה

מחשבים קוונטיים מודרניים מציעים קפיצות עצומות בכוח חישוב, אך הם רגישים באופן קיצוני למדידות ולרעשים. מאמר זה בוחן סוג מוזר של "שינוי פאזה" בדרך שבה מידע קוונטי מתפשט ואז קורץ כשצופים בו תכופות מדי. המחברים לא רק מתארים מעבר זה תיאורטית אלא גם מראים כיצד לצפות בו בצורה נקייה על חומרה זמינה כיום, ללא סינון נתונים הרואי שמנע ניסויים קודמים.

שתי התנהגויות מתחרות בעולם הקוונטי

כאשר מספר רב של קיוביטים מתפתחים יחד, הם בדרך כלל נעשים בעלי שזירה גבוהה: המידע על כל קיוביט מתפזר על פני כל המערכת. אבל אם מודדים קיוביטים שוב ושוב בזמן התפתחותם, המדידות נוטות לקרוס את המצב הקוונטי ולמחוק את השזירה. תיאוריה עדכנית חוזה מאבק משיכה בין שתי הנטיות הללו. בקצב מדידות נמוך, המערכת מסתיימת ב"פאזה משזרת", שבה המידע מפוזר באופן לא-מקומי. מעבר לנקודה מסוימת היא מתהפכת לפאזה של פירוק שזירה, שבה המדידות שולטות ומצב המערכת כמעט ידוע במלואו. שינוי חד זה בהתנהגות נקרא מעבר פאזי המונע על ידי מדידה.

מדוע בחירת-תוצאות הייתה מחסום

גילוי מעבר זה במעבדה היה קשה במיוחד. החתימות הישירות ביותר מערבות כמויות לא-ליניאריות כגון אנטרופיית שזירה או טוהר, התלויות במצב הקוונטי השלם ולא רק בממוצעים פשוטים של תוצאות מדידה. כדי לאמוד תכונות אלו, בדרך כלל צריך "לבצע בחירת-תוצאות" על הרצות שבהן מתקבל רצף מסוים של תוצאות מדידות באמצע המעגל. מאחר שהתוצאות הללו אקראיות, מספר הרצות הנדרש גדל מעריכית בגודל המערכת. ניסויים או קיבלו את העלות הכבדה הזו, או נשארו עם מערכות קטנות מאוד, או הגבלו את עצמם לסטים מיוחדים של שערים שקל יותר לדמותם במחשב קלאסי.

מעגלים בצורת עץ כקיצור חכם

המחברים נמלטים מצוואר הבקבוק הזה על ידי שינוי פריסת המעגל הקוונטי. במקום לסדר קיוביטים על שורה או רשת, הם משתמשים במבנה עץ: מתחילים מקיוביט "שורש" בודד (שהושרה תחילה עם גשש), ומוסיפים באופן חוזר קיוביטים חדשים ומשזרים אותם בתבנית מסתעפת. לאחר כל שלב שזירה הם מבצעים מדידות עדינות, או "חלשות", על הקיוביטים. עוצמת המדידות ניתנת לכוונון ברציפות מהיותן חלשות מאוד (כמעט לא מפריעות) ועד מדידות פרויקטיביות אפקטיביות (חזקות, קורעות את המצב). המפתח הוא שמבנה העץ הרקורסיבי מאפשר לעבד את כל תוצאות המדידות שנרשמו עם אלגוריתם קלאסי שעלותו גדלה רק בקו ישר עם מספר הקיוביטים, במקום מעריכית.

מעקב אחרי קיוביט יחיד בתוך היער

במקום לבנות מחדש את מצב כל הקיוביטים, המחברים עוקבים כמה אי-וודאות נותרה לגבי קיוביט מיוחד אחד שמתחיל משזור עם השאר. בתיאור העץ, אפשר לנסח זאת כביכולת לחזות את המצב ההתחלתי של קיוביט השורש רק מתוך רישום כל המדידות החלשות בתוך המעגל. אם החיזוי נשאר בלתי מושלם אפילו עבור עצים עמוקים מאוד, המערכת נמצאת בפאזה המשזרת. אם, מעבר לעוצמת מדידה מסוימת, אפשר לשחזר למעשה את מצב השורש, המערכת נכנסה לפאזה של פירוק השזירה, או "טיהור". הצוות מגדיר כמות מספרית פשוטה שתופסת את יכולת החיזוי הזו ומראה שהיא מתנהגת כמו פרמטר סדרה רגיל במעברי פאזה מוכרים יותר — עוברת ממצב לא-אפסי לאפסי במידה אפקטיבית בנקודת קריטית של עוצמת המדידה.

מתיאוריה למכשיר קוונטי עובד

החוקרים מיישמים את פרוטוקול מעגל העץ שלהם על מחשב הקוונטי עם יונים מלכדים H1-1 של Quantinuum, תוך שימוש בעד ארבע שכבות של העץ. הם בוחרים שערים חד-קיוביטיים גנריים שנבחרו באקראי — כך שהדינמיקה אינה מפושטת באופן מלאכותי — ומדידות חלשות שממומשות באמצעות האינטראקציות המק-native של המכונה. עם מספר צנוע של מעגלים אקראיים ויריונות חוזרים, הם מאיימים את פרמטר הסדרה לעומקי עץ ועוצמות מדידה שונות. הנתונים שלהם עוקבים באופן הדוק אחר תחזיות תיאורטיות מפורטות וסימולציות קלאסיות בקנה מידה גדול, הכל ללא כל הטבת שגיאות, ומדגימים שהמעבר ניתן להבחנה בצורה נקייה במכשירים רועשים זמינים כיום.

מה משמעות הדבר לטכנולוגיות קוונטיות עתידיות

לא-מומחה, המסר המרכזי הוא שיש שתי משטרים מובחנים להתנהגות המידע במערכות קוונטיות הנצפות: אחד שבו הוא נשאר מפוזר וקשה לגישה, ואזור שבו מדידה מתמשכת הופכת אותו חד ומקומי. עבודה זו מראה שהגבול בין המשטרים האלה — המעבר הפאזי שנגרם על ידי מדידה — ניתן לצפייה ניסיונית ללא סינון נתונים מופרז או סטים מוגבלים של שערים, בתנאי שמשתמשים בארכיטקטורת מעגל דמויית עץ ובאסטרטגיית פירוש מתאימה. זה הופך מודלים מבוססי-עץ לניסויי-בד נרחבים להבנת האופן שבו מדידה, רעש וזרימת מידע יעצבו את הביצועים והעיצוב של טכנולוגיות הקוונטום של מחר.

ציטוט: Feng, X., Côté, J., Kourtis, S. et al. Postselection-free experimental observation of the measurement-induced phase transition in circuits with universal gates. Commun Phys 9, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02443-0

מילות מפתח: מעבר פאזי הנגרם על ידי מדידה, מעגלים קוונטיים, שזירה, מחשב קוונטי עם יונים מלכדים, תיקון שגיאות קוונטי