Потенциал квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры могут ускорить вычисления, помочь в разработке новых лекарств, взломе кодов и открытии новых экзотических материалов — но только когда они действительно функциональны.
Препятствия на пути
Одно из ключевых препятствий — шум или ошибки, возникающие во время вычислений на квантовом компьютере. Это фактически делает их менее мощными, чем классические компьютеры, — до недавнего времени.
Достижение Дэниела Лидара
Дэниел Лидар, профессор электротехники и вычислительной техники в Инженерной школе Витерби Университета Южной Калифорнии (USC), работал над квантовой коррекцией ошибок. В новом исследовании вместе с коллегами из USC и Джонса Хопкинса он смог продемонстрировать квантовое экспоненциальное преимущество масштабирования, используя два 127-кубитных квантовых компьютера IBM Quantum Eagle через облако.
Публикация результатов
Статья «Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem» опубликована в журнале Physical Review X.
Экспоненциальное преимущество
«Ранее были демонстрации более скромных типов ускорения, таких как полиномиальное ускорение», — говорит Лидар, соучредитель Quantum Elements, Inc. «Но экспоненциальное ускорение — это наиболее драматический тип ускорения, который мы ожидаем увидеть от квантовых компьютеров».
Ключевая веха для квантовых вычислений
«Ключевой вехой для квантовых вычислений, — говорит Лидар, — всегда было продемонстрировать, что мы можем выполнять целые алгоритмы со скоростью масштабирования относительно обычных классических компьютеров».
Как это работает
Он поясняет, что масштабирование не означает, что вы можете делать что-то, скажем, в 100 раз быстрее. «Скорее, дело в том, что когда вы увеличиваете размер задачи, включая больше переменных, разрыв между квантовыми и классическими показателями продолжает расти. И экспоненциальное ускорение означает, что разрыв в производительности примерно удваивается для каждой дополнительной переменной. Более того, продемонстрированное нами ускорение является безусловным».
Безусловное ускорение
Что делает ускорение «безусловным», объясняет Лидар, так это то, что оно не зависит от каких-либо недоказанных предположений. Предыдущие утверждения об ускорении требовали предположения, что не существует лучшего классического алгоритма для сравнения с квантовым алгоритмом.
Решение задачи Саймона
Команда под руководством Лидара использовала алгоритм, модифицированный для квантового компьютера, чтобы решить вариацию задачи Саймона — ранний пример квантовых алгоритмов, которые теоретически могут решить задачу экспоненциально быстрее, чем любой классический аналог, безусловно.
Проблема Саймона
Проблема Саймона заключается в поиске скрытого повторяющегося шаблона в математической функции и считается предшественником того, что известно как алгоритм факторизации Шора, который можно использовать для взлома кодов и который положил начало всей области квантовых вычислений.
Как команда достигла экспоненциального ускорения
Пхаттхарапорн Сингканипа, докторант Университета Южной Калифорнии и первый автор, говорит: «Ключевым моментом было выжать из оборудования все соки: более короткие схемы, более умные последовательности импульсов и статистическое смягчение ошибок».
Достижения исследователей
Исследователи достигли этого четырьмя различными способами:
1. Они ограничили ввод данных, ограничив количество секретных чисел (технически, ограничив количество единиц в двоичном представлении набора секретных чисел). Это привело к уменьшению количества операций квантовой логики, что снизило вероятность накопления ошибок.
2. Они максимально сжали количество необходимых операций квантовой логики, используя метод, известный как транспиляция.
3. И что наиболее важно, исследователи применили метод, называемый «динамической развязкой», который включает в себя применение последовательностей тщательно разработанных импульсов для отделения поведения кубитов в квантовом компьютере от их шумного окружения и поддержания квантовой обработки в нужном русле. Динамическая развязка оказала наиболее значительное влияние на их способность продемонстрировать квантовое ускорение.
4. Наконец, они применили «смягчение ошибок измерения» — метод, который находит и исправляет определённые ошибки, оставшиеся после динамической развязки из-за несовершенства измерения состояния кубитов в конце алгоритма.
Заключение Лидара
Лидар, профессор химии и физики в Колледже литературы, искусств и наук USC Dornsife, говорит: «Сообщество квантовых вычислений показывает, как квантовые процессоры начинают превосходить свои классические аналоги в целевых задачах и выходят в область, до которой классические вычисления просто не могут дотянуться. Наш результат показывает, что уже сегодня квантовые компьютеры твёрдо стоят на стороне масштабирующегося квантового преимущества».
Дальнейшие перспективы
Он добавляет, что с этим новым исследованием «разрыв в производительности невозможно устранить, потому что продемонстрированное нами экспоненциальное ускорение впервые является безусловным». Другими словами, квантовое преимущество в производительности становится всё труднее оспаривать.
Лидар предупреждает, что «этот результат не имеет практического применения, кроме выигрыша в играх по угадыванию, и предстоит проделать ещё много работы, прежде чем можно будет утверждать, что квантовые компьютеры решили практическую задачу в реальном мире».