Квантовые компьютеры прошли тест, который обычные компьютеры пройти не могут 

Фото из открытых источников

Предполагается, что квантовые компьютеры обладают возможностями, значительно превосходящими возможности обычных, но проверить это на практике оказывается на удивление сложно, поскольку проверка их результатов сама по себе может потребовать вычислений, которые становятся непомерно сложными для классических машин.

Это проблема квантовой верификации, и в новом эксперименте был найден остроумный обходной путь — игра, которая проверяет каждый тип системы на прочность.

В чём подвох? Существует математически доказанный предел того, насколько хорошо может работать любой классический компьютер.

А когда команда под руководством компьютерных специалистов Марчелло Бенедетти и Гарри Бурмана из британской компании Quantinuum запустила программу на квантовой системе с захваченными ионами, она с легкостью превзошла установленный предел.

Согласно их статье, опубликованной в журнале Nature Communications, по мере усложнения теста разрыв между производительностью квантовой системы и наилучшей возможной производительностью классической системы неуклонно увеличивался.

Квантовые компьютеры черпают свои необычные возможности из странных физических законов, управляющих частицами в мельчайших масштабах.

В то время как в классическом компьютере биты представляют информацию в одном из двух состояний — 1 или 0, — квантовые биты, или кубиты, могут существовать в суперпозиции обоих состояний до тех пор, пока не будут измерены. Измерение разрушает эту суперпозицию, давая только один определенный результат.

Математическая природа этой суперпозиции может быть невероятно мощной с вычислительной точки зрения, позволяя квантовому компьютеру быстро решать определенные задачи, которые чрезвычайно сложны для обычного компьютера.

Исследователи поставили перед собой задачу проверить вычислительную мощность теории суперпозиции.

Поэтому они разработали игру, основанную на вычислительной задаче, называемой выборкой дополнения.

Вот как это работает. Представьте, что все возможные ответы на задачу тайно разделены на две равные группы, A и B. Вам дается один случайно выбранный ответ из группы A, и вас просят дать ответ из группы B.

Для классического компьютера этого недостаточно. Он знает, что полученный ответ относится к варианту А, поэтому знает, что его возвращать не следует. Но он не знает, какие из всех остальных возможных ответов относятся к варианту А, а какие — к варианту В.

Чем больше возможных ответов, тем менее полезной становится та или иная информация. Фактически, исследователи смогли математически доказать, насколько хорошо может работать наилучшая из возможных классических стратегий.

Однако квантовый компьютер подчиняется совершенно иным правилам.

Поскольку суперпозиционный кубит может одновременно находиться в обоих своих состояниях до момента измерения, квантовый компьютер может получить состояние, содержащее весь набор A в суперпозиции, вместо того чтобы сводить ответ к одному образцу.

И, что особенно важно, он может манипулировать этой суперпозицией перед её измерением. Используя то, что исследователи называют схемой «обмена», квантовый компьютер преобразует состояние, представляющее множество А, в состояние, представляющее его дополнение, множество В.

Только после этого происходит измерение состояния, в результате чего получается ответ из множества B. В идеальной, безошибочной квантовой системе эта стратегия всегда оказывается выигрышной.

Для классического компьютера эта задача экспоненциально сложнее. Ему необходимо измерить входящее состояние, чтобы получить один случайно выбранный ответ из группы А, а затем попытаться вернуть ответ из группы В.

Это создает огромный разрыв между возможностями двух типов систем.

Хотя идеальная квантовая система выигрывает каждый раунд, преимущество, доступное даже для наилучшей классической стратегии, экспоненциально уменьшается по мере увеличения количества битов — и, следовательно, количества возможных ответов.

И дело не только в том, что исследователи не нашли достаточно умного классического алгоритма. Предел доказан математически, без опоры на предположения о сложности вычислений.

Это дало команде нечто необычайно ценное — тест, ответы на который легко проверить, но классическая производительность которого имеет жесткий потолок. Поэтому они перенесли его на настоящий квантовый компьютер.

Исследователи провели игру с выборкой дополнений на квантовых компьютерах Quantinuum, использующих захваченные ионы H2, применяя тысячи различных схем и масштабируя свои эксперименты до 55 кубитов.

Реальные машины, конечно, не были так совершенны, как теория. По мере того, как эксперименты становились масштабнее и требовали больше квантовых операций, аппаратный шум всё больше ухудшал их производительность.

Однако квантовая система неизменно преодолевала классический предел.

В каждом эксперименте квантовый компьютер показывал настолько хорошие результаты, что они статистически не соответствовали тому, чего можно было бы достичь с помощью любой классической стратегии.

Более того, по мере усложнения задачи разрыв увеличивался. Экспериментально наблюдаемое преимущество экспоненциально возрастало с длиной битовой строки, точно отражая, если не полностью совпадая, с поведением, ожидаемым от оптимальной квантовой стратегии.

На самом большом из протестированных масштабов — 37-битных строках — система не совсем достигла теоретически идеальной производительности, но результаты все же продемонстрировали «экспоненциально большое нарушение классичности», отмечают исследователи.

У этого эксперимента есть некоторые ограничения.

«Судья», выбирающий первоначальный ответ, и «игрок», анализирующий его и дающий дополнение, были реализованы на одном и том же квантовом компьютере, при этом для моделирования канала связи между ними использовалась квантовая телепортация.

Более строгий тест в будущем предполагал бы размещение их на отдельных квантовых компьютерах, соединенных настоящим квантовым каналом связи.

Но это препятствие можно преодолеть в следующем раунде экспериментов.

На данный момент результат представляет собой концептуальное доказательство, новый способ тестирования квантового оборудования, который эффективен для проверки, масштабируем и — что важно — не основан на недоказанных педположениях о том, что могут и чего не могут делать классические компьютеры.

«Наш эксперимент, — пишут исследователи, — демонстрирует силу квантовой суперпозиции таким образом, что он не зависит от запутанности и нелокальности».