Экспериментальное наблюдение вызванного измерением фазового перехода в универсальных схемах без постселекции

Наблюдение за тем, как квантовая информация меняет «мнение»

Современные квантовые компьютеры обещают огромные скачки в вычислительной мощности, но они чрезвычайно чувствительны к измерениям и шуму. В этой статье исследуется странный тип «фазового перехода» в том, как квантовая информация распространяется, а затем внезапно схлопывается, если за ней наблюдать слишком часто. Авторы не только описывают этот переход теоретически, но и показывают, как его чисто наблюдать на современной аппаратуре, без героической фильтрации данных, которая тормозила предыдущие эксперименты.

Два конкурирующих поведения в квантовом мире

Когда многие кубиты эволюционируют вместе, они обычно сильно запутываются: информация об отдельном кубите распределяется по всему устройству. Но если в процессе эволюции регулярно измерять кубиты, эти измерения склонны коллапсировать квантовое состояние и стирать запутанность. Недавняя теория предсказывает противоборство между этими двумя тенденциями. При низкой частоте измерений система оказывается в «фазе запутывания», где информация распределена нелокально. Выше определённого порога она переключается в «фазу раззапутывания», где доминируют измерения и состояние системы становится практически полностью известным. Это резкое изменение поведения называют вызванным измерением фазовым переходом.

Почему постселекция была препятствием

Обнаружить этот переход в лаборатории было чрезвычайно сложно. Наиболее прямые признаки связаны с нелинейными величинами, такими как энтропия запутанности или чистота, которые зависят от полного квантового состояния, а не только от простых средних результатов измерений. Чтобы оценить эти свойства, обычно приходится «постселектировать» прогон эксперимента по строке результатов промежуточных измерений. Поскольку эти результаты случайны, число необходимых прогонов растёт экспоненциально с размером системы. Эксперименты либо соглашались на эту дорогостоящую нагрузку, либо ограничивались очень малыми системами, либо использовали специальные наборы вентилей, которые легче моделировать на классическом компьютере.

Деревовидные схемы как хитрый обходной путь

Авторы выходят из этого узкого места, изменив структуру квантовой схемы. Вместо расположения кубитов на линии или решётке они используют древовидную структуру: начиная с одного «корневого» кубита (первоначально запутанного с пробником), они последовательно добавляют свежие кубиты и запутывают их в ветвящемся порядке. После каждого шага запутывания они выполняют аккуратные, или «слабые», измерения кубитов. Сила этих измерений может непрерывно настраиваться от очень слабой (почти не нарушающей состояние) до фактически проективной (сильной, полностью коллапсирующей). Критически важно, что рекурсивная структура дерева позволяет обрабатывать все записанные результаты измерений классическим алгоритмом, стоимость которого растёт лишь линейно с числом кубитов, а не экспоненциально.

Проследить один кубит через лес

Вместо реконструкции полного многокубитного состояния авторы отслеживают, сколько неопределённости остаётся в отношении одного особого кубита, который изначально был запутан с остальными. В деревовидном представлении это можно сформулировать как то, насколько хорошо можно предсказать начальное состояние корневого кубита, имея только запись всех слабых измерений внутри схемы. Если предсказание остаётся несовершенным даже для очень глубоких деревьев, система находится в фазе запутывания. Если же при превышении некоторой силы измерений состояние корня по существу восстанавливается, система вошла в фазу раззапутывания, или «очищения». Команда определяет простую числовую величину, которая фиксирует эту предсказуемость, и показывает, что она ведёт себя как стандартный параметр порядка в привычных фазовых переходах, переходя от ненулевого значения к фактически нулевому при критической силе измерений.

От теории к работающему квантовому устройству

Исследователи реализовали свой протокол деревовидных схем на ионном квантовом компьютере Quantinuum H1-1, используя до четырёх слоёв дерева. Они выбирали общие, случайно сгенерированные одноместные вентили — чтобы динамика не была искусственно упрощена — и слабые измерения, реализованные с помощью родных взаимодействий машины. С умеренным числом случайных схем и повторных запусков они оценили параметр порядка для разных глубин дерева и сил измерений. Их данные тесно соответствуют детальным теоретическим предсказаниям и крупномасштабным классическим симуляциям, всё это без какой-либо коррекции ошибок, демонстрируя, что переход можно чётко разрешить на современных шумных устройствах.

Что это значит для будущих квантовых технологий

Для неспециалиста главный вывод в том, что существуют два различных режима поведения информации в наблюдаемых квантовых системах: один, в котором она остаётся распределённой и труднодоступной, и другой, в котором постоянные измерения делают её ясной и локальной. Эта работа показывает, что граница между этими режимами — вызванный измерением фазовый переход — может быть экспериментально наблюдема без чрезмерной фильтрации данных или ограниченных наборов вентилей, при условии использования древовидной архитектуры схемы и подходящей стратегии декодирования. Это делает деревья мощными тестовыми платформами для понимания того, как измерение, шум и поток информации будут формировать производительность и проектирование квантовых технологий будущего.

Цитирование: 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

Ключевые слова: вызванный измерением фазовый переход, квантовые схемы, запутанность, квантовый компьютер на ионах-захватчиках, квантовая коррекция ошибок