Квантовые компьютеры превзошли классические — с проверяемыми результатами

Существует множество алгоритмов, для которых математически доказано, что квантовый компьютер способен получать результаты, недостижимые для классических машин при любом разумном объёме вычислений. Однако переход от теории к практике связан с фундаментальной проблемой: как убедиться, что квантовое устройство действительно выдало правильный ответ, если проверить его на обычном компьютере невозможно?

Этот вопрос сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Если вы получаете результат, недостижимый для современных обычных компьютеров, может оказаться невозможным проверить, что ответ корректен. А если результат невозможно проверить, то как можно быть уверенным, что квантовое преимущество действительно достигнуто, а не является артефактом ошибок или сбоев оборудования?

Именно эти проблемы побудили IBM запустить трекер квантового преимущества — специальный инструмент для отслеживания заявок на превосходство квантовых вычислений. В четверг компания объявила о трёх новых результатах, которые, по её словам, наглядно демонстрируют квантовое преимущество, причём каждый использует свой подход к решению проблемы проверки.

К настоящему моменту было сделано множество заявлений о квантовом преимуществе, и как минимум одно из них потенциально может оказаться полезным на практике. Однако в ряде громких случаев разработчики алгоритмов создавали оптимизированные классические программы, которые справлялись с теми же задачами быстрее, чем предполагалось изначально, что ставило под сомнение заявленные результаты.

Обычно подобные вопросы решаются выполнением упрощённых расчётов с меньшим числом кубитов и проверкой результатов на классическом оборудовании. Если такая проверка проходит успешно, предполагается, что алгоритм будет работать корректно и при увеличении масштаба, но это предположение не всегда оправдывается на практике.

К сожалению, если кому-то и удалось найти вычисление, которое можно было бы выполнить на современном оборудовании и которое при этом оставалось бы принципиально недостижимым для классических машин, мне о таком неизвестно. Поэтому специалистам по информатике пришлось проявить изобретательность — и именно этим занимаются сегодняшние результаты.

Одно из новых исследований — совместная работа IBM, японского института RIKEN и небольшой компании Qedma, разрабатывающей программное обеспечение для подавления ошибок в современных квантовых процессорах. Работа сосредоточена на моделировании физических процессов, которые могут происходить и в квантовых системах, что делает задачу одновременно интересной для физики и подходящей для квантового оборудования.

Подобные процессы могут происходить и в квантовых системах, и команда Qedma смоделировала так называемую модель Изинга — её можно представить как гипотетическую двумерную решётку магнитов, где каждый элемент взаимодействует с соседями, а вся система постепенно теряет намагниченность при повышении температуры.

Qedma выбрала для моделирования систему, достаточно компактную, чтобы поместиться в существующее квантовое оборудование, а затем совместно с RIKEN запустила два разных классических алгоритма на суперкомпьютере Fugaku, который входит в число самых мощных вычислительных систем в мире и использовался в качестве эталона для сравнения.

При выполнении на квантовом процессоре IBM с программным обеспечением Qedma для подавления ошибок алгоритм показал совершенно иной результат: постепенное уменьшение намагниченности с периодическими колебаниями. Один из классических алгоритмов предсказывал аналогичное поведение, что дало основания считать результат физически правдоподобным.

Чтобы доказать, что расхождение не является следствием систематической ошибки оборудования IBM, команда обратилась к процессору Quantinuum и подтвердила полученный результат. Кроме того, исследователи выявили проблему как минимум в одном из классических подходов, что объясняет разницу в предсказаниях.

Ещё одна новая рукопись — результат сотрудничества IBM и исследователей из Чикагского университета. По принципу она похожа на один из упомянутых выше алгоритмов: в ней многократно повторяются вариации одной и той же квантовой схемы, а результаты объединяются статистическими методами.

В этом случае команда внесла пару ключевых изменений. Во-первых, она в основном выполняла так называемые клиффордовы вентили, которые относительно легко моделировать на классическом оборудовании. Но в схему вкраплялись и T-вентили — элементы, которые делают моделирование значительно более затратным для классических компьютеров.

Именно T-вентили гарантируют, что задачу особенно сложно имитировать на классическом компьютере. Как отмечают исследователи, «благодаря T-вентилям аргумент о сложности становится сильнее, и можно доказать, что в среднем такая задача недостижима для классических методов».

Работа также включала дополнительные кубиты по периферии используемых для алгоритма, расположенные так, что аккуратные измерения во время операций могли обнаруживать, не возникали ли ошибки в процессе вычислений. Это встроенный механизм контроля достоверности результатов.

Результатом стал алгоритм, который, по словам команды, «сочетает широкую статистику выходных данных сложных задач выборки со структурой схемы, которую можно использовать для обнаружения ошибок и сертификации достоверности». Такой подход позволяет одновременно получить вычислительно сложную задачу и способ её проверки.

Последний из новых результатов принадлежит разработчику квантового ПО Algorithmiq, который использовал алгоритм, похожий на тот, что применялся в работе Google о «квантовых эхах». Набор вентилей сначала изменяет квантовую систему, а затем алгоритм пытается восстановить исходное состояние, что позволяет измерить влияние шума.

Авторы рукописи занялись устранением шума в системе. Они начали с выбора области квантового процессора с самым низким уровнем шума и использовали соседние кубиты для стабилизации вычислений, что позволило минимизировать влияние внешних помех на результат.

Затем исследователи намеренно вносили шум, определяли, как он меняет результаты, и оценивали количество шума, присутствующего в системе без него. Весь процесс они повторили на отдельном квантовом процессоре, что подтвердило воспроизводимость наблюдений.

На эти работы можно смотреть по-разному. Скептически: безусловно, ни один из этих алгоритмов не является полезным в практическом смысле — даже те, что моделируют поведение квантовых систем, используют упрощённые модели, далёкие от реальных материалов и технологий.

Наконец, подобные алгоритмы — выполняющие вычисления непосредственно на аппаратных кубитах с проблемным уровнем шума — через несколько лет уйдут в прошлое по мере появления разумного количества кубитов с исправлением ошибок. Тогда сравнение с классическими компьютерами станет менее актуальным.

Менее скептический взгляд: оборудование уже существует, и почему бы специалистам по информатике не интересоваться его пределами и не продвигать системы настолько далеко, насколько это возможно? Хотя сами алгоритмы не имеют коммерческой ценности, они развивают методики проверки и понимание границ возможного.

Вероятно, лучше всего рассматривать эти результаты как часть естественного прогресса. Первая волна заявлений о квантовом преимуществе пришлась на время, когда исследователи были просто взволнованы наличием оборудования с достаточным числом кубитов, и тогда проверка результатов была менее строгой.

«Итак, у вас есть две крайности, — отметил Гамбетта из IBM. — Раньше результаты просто сравнивали реальный материал с квантовым компьютером, но в области, где классические методы всё ещё справлялись. Теперь мы пытаемся найти задачи, где классические подходы действительно бессильны, и при этом уметь проверять квантовый ответ».

Следующий шаг — то, что больше всего волнует научное сообщество. «Святой Грааль — сравнить реальный материал или реальный эксперимент с квантовым компьютером», — сказал Гамбетта. Это позволило бы продемонстрировать не только вычислительное, но и практическое преимущество квантовых систем.

Ссылки на три статьи на arXiv можно найти в блоге IBM, посвящённом этим результатам, а также в трекере преимущества, где размещаются и другие попытки превзойти классические системы. Интересно, что все три результата используют разные стратегии проверки, что усиливает доверие к самому явлению квантового преимущества.

В долгосрочной перспективе главная ценность этих работ — не сами вычисления, а отработанные методики сертификации результатов. Когда появятся квантовые компьютеры с исправлением ошибок, эти методы позволят уверенно использовать их для задач, где классические машины действительно не справятся.

Чтобы понять значимость происходящего, стоит напомнить контекст: квантовое преимущество — это ситуация, в которой квантовый компьютер выполняет вычисление, практически недостижимое для самых мощных классических суперкомпьютеров. Первое громкое заявление об этом сделала Google в 2019 году, продемонстрировав задачу случайной выборки цепей. Однако критики тогда указали, что классические методы можно улучшить, и вскоре появились оптимизированные симуляции, сократившие разрыв.

Именно поэтому сегодняшние исследователи делают акцент не просто на скорости, а на проверяемости. Идея в том, чтобы выбрать задачу, для которой существует математическое доказательство сложности для классических компьютеров, и одновременно встроить в схему механизмы контроля ошибок. Такой подход делает заявление о преимуществе более убедительным для научного сообщества.

Дополнительный нюанс заключается в том, что современные квантовые процессоры всё ещё подвержены шуму: кубиты теряют когерентность, вентили выполняются с ошибками, а результат любого вычисления приходится усреднять по множеству запусков. Без тщательной калибровки и подавления ошибок невозможно отличить реальный вычислительный эффект от артефактов оборудования.

Именно поэтому в каждой из трёх работ применялась своя стратегия борьбы с шумом: от программного подавления ошибок Qedma до схемы обнаружения ошибок с периферийными кубитами в работе Чикагского университета и намеренного внесения шума для его оценки в работе Algorithmiq. Разнообразие подходов — дополнительный аргумент в пользу достоверности выводов.

Ещё один важный момент — выбор задач. Все три группы сознательно избегали тривиальных примеров, где классические компьютеры справляются без труда, и сосредоточились на задачах, где классические алгоритмы либо дают неверный результат, либо требуют экспоненциальных ресурсов. Это соответствует рекомендациям IBM о том, как следует демонстрировать квантовое преимущество.

Для наблюдателя за отраслью эти результаты означают, что квантовые вычисления постепенно переходят от рекордов ради рекордов к методичной инженерной работе. Появляются инструменты проверки, стандарты оценки и понимание того, какие задачи действительно оправдывают использование квантового оборудования уже сегодня, а какие стоит отложить до эпохи исправления ошибок.

По материалам Ars Technica