Щоб квантові комп'ютери змінили правила гри в області обчислень, вчені повинні довести правильність обчислень. Тепер є надія.
Група дослідників стверджує, що квантовий чип Willow від Google досяг квантової переваги, що перевіряється. Це квантове обчислення, яке, вочевидь, недосяжно для традиційного класичного комп'ютера, але з результатом, правильність якого можна підтвердити. Результат обчислення, опублікований в журналі Nature, може бути перевірений іншим квантовим комп'ютером, хоча це поки ще не зроблено.
Верифікація - найважливіший крок на шляху до потенційного застосування квантових комп'ютерів. "Якщо я не можу довести вам правильність даних, як я можу з ними щось зробити?" — заявив фізик Том О'Брайєн із Google Quantum AI у Санта-Барбарі, штат Каліфорнія, на прес-конференції 17 жовтня.
Обчислення, що вимірюють явище, відоме як «квантова луна», виконуються на Willow у 13 000 разів швидше, ніж на суперкомп'ютері Frontier – одному з найпотужніших у світі. Повний набір обчислень зайняв би близько 150 років обчислювального часу Frontier, що унеможливлює класичні обчислення. На Willow це зайняло лише кілька днів обчислювального часу.
«Досить переконливо, що для моделювання цього [на класичному комп'ютері] потрібно поєднання величезних обчислювальних витрат і деяких алгоритмічних досягнень, яких ще не придумали, але не так шалено уявити, що вони будуть», — каже квантовий фізик Арам Харроу з Массачусетського технологічного інституту, який не брав участі в дослідженні. Попередні заяви про квантову перевагу часто супроводжувалися покращеними класичними обчисленнями, які нівелювали цю перевагу.
Деякі інші заяви про квантову перевагу мали певний рівень підтвердження, але ця перевірка була неефективною, каже вчений-комп'ютерник Скотт Ааронсон з Техаського університету в Остіні, який не брав участі в дослідженні. Наприклад, зі збільшенням обсягу обчислення час, необхідний для його перевірки, зростає експоненційно. Нове обчислення Google було б ефективним для перевірки за наявності іншого квантового комп'ютера з аналогічними можливостями.
Ефективно перевірена квантова перевага була одним із найскладніших завдань, що стоять перед цією областю в останні роки, каже Ааронсон. "Це гідний кандидат".
Було б краще, каже Харроу, якби це був алгоритм, який міг бути перевірений класичним комп'ютером, а не іншим квантовим комп'ютером. Наприклад, одне з найвідоміших застосувань квантових комп'ютерів, алгоритм Шора, легко перевірити. Він розбиває надзвичайно велике ціле число на два простих множники. Для великих чисел це завдання зайняло б багато часу на класичному комп'ютері. Складність обчислення цих простих чисел є основою шифрування, що забезпечує безпеку інтернет-даних. Але досить потужний квантовий комп'ютер, який працює з алгоритмом Шора, міг би видати ці прості числа, а класичний комп'ютер міг би просто перемножити їх, щоб перевірити, чи відповідає результат вихідному числу.
Квантова луна не така проста. Відомі у науці як позачасові корелятори, квантові відлуння є ознакою хаосу в системі. Це «своєрідний ефект метелика, коли ви щось піддаєте впливу, а потім, через дуже багато часу, виникає збурення», — каже Харроу.
Розрахунок квантового відлуння включає виконання безлічі випадкових операцій над квантовими бітами (кубітами) комп'ютера. Потім ці операції виконуються у зворотному порядку, і час, по суті, повертається на початок. Саме це дозволяє дослідникам отримати сигнал, що перевіряється в хаотичній системі, яка в іншому випадку знищила б інформацію.
Дослідники використовували 65 кубітів Willow для розрахунку квантової луни, двічі виконуючи операції у прямому та зворотному напрямку. Перед кожним розворотом часу кілька кубітів було змінено. Ця технологія створює складний ефект квантової інтерференції, який важко визначити класичним способом.
Дослідники стверджують, що їхній алгоритм — це крок до практичного застосування квантових комп'ютерів. У ще не рецензованій статті, опублікованій на arXiv.org, дослідники Google та їхні колеги використовують цю технологію для обчислення взаємного розташування певних ділянок двох молекул у тривимірному просторі. Демонстрації узгоджуються з результатами типового лабораторного методу – ядерного магнітного резонансу. Однак вони поки що не випереджають класичні розрахунки.
Проте, за словами Харроу, «дуже приємно бачити, як їхній квантовий комп'ютер підключається до реального експерименту».
