Doświadczalne obserwowanie indukowanej pomiarami przemiany fazowej w obwodach z uniwersalnymi bramkami bez postselekcji

Obserwowanie, jak informacja kwantowa zmienia zdanie

Nowoczesne komputery kwantowe obiecują ogromne skoki w mocy obliczeniowej, ale są niezwykle wrażliwe na pomiary i szumy. W artykule badany jest osobliwy rodzaj „zmiany fazy” w sposobie, w jaki informacja kwantowa się rozprzestrzenia, a następnie nagle zapada, gdy obserwujemy ją zbyt często. Autorzy nie tylko opisują tę przemianę teoretycznie, lecz także pokazują, jak zaobserwować ją czysto na dostępnym dziś sprzęcie, bez heroicznej selekcji danych, która utrudniała wcześniejsze eksperymenty.

Dwa konkurujące zachowania w świecie kwantowym

Gdy wiele kubitów ewoluuje razem, zwykle stają się one silnie splecione: informacja o dowolnym kubicie rozmywa się po całym urządzeniu. Ale jeśli wielokrotnie wykonuje się pomiary kubitów w trakcie ewolucji, pomiary te mają tendencję do zapadania stanu kwantowego i wymazywania splątania. Ostatnie teorie przewidują przeciąganie liny między tymi dwoma tendencjami. Przy niskich częstościach pomiarów układ kończy w „fazie splatającej”, w której informacja jest rozproszona nielokalnie. Powyżej pewnego progu przechodzi w „fazę rozplątującą”, w której dominują pomiary i stan układu staje się niemal w pełni znany. Ten ostry przełom w zachowaniu nazywa się indukowaną pomiarami przemianą fazową.

Dlaczego postselekcja była przeszkodą

Wykrycie tej przemiany w laboratorium było notorycznie trudne. Najbardziej bezpośrednie sygnały obejmują nieliniowe wielkości, takie jak entropia splątania czy czystość, które zależą od pełnego stanu kwantowego, a nie tylko od prostych średnich wyników pomiarów. Aby oszacować te wielkości, zwykle trzeba „postselekcjonować” powtórzenia eksperymentu, które mają określony łańcuch wyników pomiarów w środku obwodu. Ponieważ te wyniki są losowe, liczba potrzebnych powtórzeń rośnie wykładniczo wraz z rozmiarem układu. Eksperymenty albo godziły się na ten kosztowny narzut, albo ograniczały się do bardzo małych systemów, albo stosowały szczególne zbiory bramek, które łatwiej symulować klasycznie.

Obwody w kształcie drzewa jako sprytne skróty

Autorzy omijają to wąskie gardło, zmieniając układ obwodu kwantowego. Zamiast układać kubity w linię lub siatkę, stosują strukturę drzewa: zaczynając od pojedynczego „korzenia” kubitu (początkowo splecionego z sondą), wielokrotnie dodają świeże kubity i splatają je w wzór rozgałęziający się. Po każdym kroku splatania wykonują delikatne, czyli „słabe”, pomiary kubitów. Siłę tych pomiarów można płynnie regulować od bardzo słabych (prawie niezakłócających stanu) do efektywnie projektujących (silnych, w pełni zapadających pomiarów). Kluczowe jest to, że rekurencyjna struktura drzewa pozwala im przetworzyć wszystkie zarejestrowane wyniki pomiarów za pomocą klasycznego algorytmu, którego koszt rośnie tylko liniowo z liczbą kubitów, zamiast wykładniczo.

Śledzenie pojedynczego kubitu przez las

Zamiast rekonstruować pełny stan wielu kubitów, autorzy śledzą, ile niepewności pozostaje względem jednego szczególnego kubitu, który początkowo jest spleciony z resztą. W obrazie drzewa można to sformułować jako to, jak dobrze można przewidzieć stan początkowy kubitu-korzenia jedynie na podstawie zapisu wszystkich słabych pomiarów w obwodzie. Jeśli przewidywanie pozostaje niedoskonałe nawet dla bardzo głębokich drzew, układ znajduje się w fazie splatającej. Jeśli powyżej pewnej siły pomiarów stan korzenia można w zasadzie odtworzyć, układ wszedł w fazę rozplątującą, czyli „oczyszczoną”. Zespół definiuje prostą wielkość numeryczną, która uchwyca tę przewidywalność i pokazuje, że zachowuje się ona jak standardowy parametr porządku w bardziej znanych przemianach fazowych, przechodząc z wartości niezerowej do efektywnie zerowej przy krytycznej sile pomiaru.

Od teorii do działającego urządzenia kwantowego

Naukowcy wdrażają swój protokół obwodu-drzewa na komputerze kwantowym z pułapką jonową H1-1 firmy Quantinuum, używając do czterech warstw drzewa. Wybierają generacyjne, losowo dobrane bramki jednokubitowe — by dynamika nie była sztucznie uproszczona — oraz słabe pomiary zrealizowane przy użyciu natywnych interakcji maszyny. Przy umiarkowanej liczbie losowych obwodów i powtórzeniach uzyskują estymaty parametru porządku dla różnych głębokości drzewa i sił pomiarów. Ich dane ściśle podążają za szczegółowymi przewidywaniami teoretycznymi i dużymi symulacjami klasycznymi, wszystko to bez jakiejkolwiek korekcji błędów, pokazując, że przejście można wyraźnie rozróżnić na współczesnych, zaszumionych urządzeniach.

Co to znaczy dla przyszłych technologii kwantowych

Dla osoby niebędącej specjalistą kluczowy przekaz jest taki: istnieją dwa wyraźne reżimy zachowania informacji w monitorowanych systemach kwantowych — jeden, w którym pozostaje ona rozproszona i trudna do uzyskania, oraz drugi, w którym ciągłe pomiary czynią ją wyraźną i lokalną. Ta praca pokazuje, że granica między tymi reżimami — indukowana pomiarami przemiana fazowa — może być zaobserwowana eksperymentalnie bez nadmiernej selekcji danych czy ograniczonych zbiorów bramek, pod warunkiem użycia architektury obwodu podobnej do drzewa i odpowiedniej strategii dekodowania. To czyni modele o strukturze drzewa potężnym polem testowym do zrozumienia, jak pomiar, szum i przepływ informacji będą kształtować wydajność i projekt przyszłych technologii kwantowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: indukowana pomiarami przemiana fazowa, obwody kwantowe, splecenie, komputer kwantowy z pułapką jonową, korekcja błędów kwantowych