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 развития
Одно из ключевых препятствий — шум или ошибки, возникающие во время вычислений на квантовом компьютере. Из-за них квантовые машины оказываются менее мощными, чем классические компьютеры, — до недавнего времени.
Достижение Дэниела Лидара
Дэниел Лидар, профессор электротехники и вычислительной техники в Инженерной школе Витерби при Университете Южной Калифорнии, работает над квантовой коррекцией ошибок. В новом исследовании вместе с коллегами из Университета Южной Калифорнии и Джонса Хопкинса он продемонстрировал квантовое экспоненциальное преимущество масштабирования, используя два 127-кубитных квантовых компьютера IBM Quantum Eagle через облако.
Статья «Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem» опубликована в журнале Physical Review X.
Экспоненциальное ускорение
«Ранее были демонстрации более скромных типов ускорения, таких как полиномиальное, — говорит Лидар, который также является соучредителем Quantum Elements, Inc. — Но экспоненциальное ускорение — это наиболее драматический тип ускорения, которого мы ожидаем от квантовых компьютеров».
Ключевой вехой для квантовых вычислений, по словам Лидара, всегда было демонстрация того, что мы можем выполнять целые алгоритмы со скоростью масштабирования относительно обычных классических компьютеров.
Он поясняет, что масштабирование не означает, что вы можете делать что-то, скажем, в 100 раз быстрее. «Скорее, это означает, что по мере увеличения размера задачи за счёт включения большего количества 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
Безусловное ускорение, объясняет Лидар, означает, что оно не зависит от каких-либо недоказанных предположений. Предыдущие утверждения об ускорении требовали предположения, что не существует лучшего классического алгоритма, с которым можно было бы сравнить квантовый алгоритм.
Здесь команда под руководством Лидара использовала алгоритм, который они модифицировали для квантового компьютера, чтобы решить вариацию «проблемы 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.
Достижения команды
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 снижение ошибок».
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 меньшему количеству операций квантовой логики, чем потребовалось бы в противном случае, что уменьшило 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 означает применение последовательностей тщательно разработанных импульсов для отделения поведения кубитов в квантовом компьютере от их шумной среды и поддержания квантовой обработки в нужном русле. Динамическая развязка оказала наиболее значительное влияние на их способность продемонстрировать квантовое ускорение.
4. Наконец, они применили «снижение ошибок измерения», метод, который находит и исправляет определённые ошибки, оставшиеся после динамической развязки из-за несовершенства измерения состояния кубитов в конце алгоритма.
Лидар, который также является профессором 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 сегодняшние квантовые компьютеры твёрдо стоят на стороне масштабирующего квантового преимущества».
Он добавляет, что с этим новым исследованием «разрыв в производительности невозможно обратить вспять, потому что экспоненциальное ускорение, которое мы продемонстрировали, впервые является безусловным». Другими словами, преимущество в квантовой производительности становится всё труднее оспаривать.
Лидар предупреждает, что «этот результат не имеет практического применения, кроме выигрыша в играх по угадыванию, и предстоит проделать гораздо больше работы, прежде чем можно будет утверждать, что квантовые компьютеры решили практическую задачу в реальном мире».
classical computers—until recently.”,”Daniel Lidar, holder of the Viterbi Professorship in Engineering and Professor of Electrical & Computer Engineering at the USC Viterbi School of Engineering, has been iterating on quantum error correction, and in a new study along with collaborators at USC and Johns Hopkins, has been able to demonstrate a quantum exponential scaling advantage, using two 127-qubit IBM Quantum Eagle processor-powered quantum computers, over the cloud.”,”The paper, \”Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem,\” is published in the journal Physical Review X.”,”\”There have previously been demonstrations of more modest types of speedups like a polynomial speedup, says Lidar, who is also the cofounder of Quantum Elements, Inc. \”But an exponential speedup is the most dramatic type of speed up that we expect to see from quantum computers.\””,”The key milestone for quantum computing, Lidar says, has always been to demonstrate that we can execute entire algorithms with a scaling speedup relative to ordinary \”classical\” computers.”,”He clarifies that a scaling speedup doesn’t mean that you can do things, say, 100 times faster. \”Rather, it’s that as you increase a problem’s size by including more variables, the gap between the quantum and the classical performance keeps growing. And an exponential speedup means that the performance gap roughly doubles for every additional variable. Moreover, the speedup we demonstrated is unconditional.\””,”What makes a speedup \”unconditional,\” Lidar explains, is that it doesn’t rely on any unproven assumptions. Prior speedup claims required the assumption that there is no better classical algorithm against which to benchmark the quantum algorithm.”,”Here, the team led by Lidar used an algorithm they modified for the quantum computer to solve a variation of \”Simon’s problem,\” an early example of quantum algorithms that can, in theory, solve a task exponentially faster than any classical counterpart, unconditionally.”,”Simon’s problem involves finding a hidden repeating pattern in a mathematical function and is considered the precursor to what’s known as Shor’s factoring algorithm, which can be used to break codes and launched the entire field of quantum computing. Simon’s problem is like a guessing game, where the players try to guess a secret number known only to the game host (the \”oracle\”).”,”Once a player guesses two numbers for which the answers returned by the oracle are identical, the secret number is revealed, and that player wins. Quantum players can win this game exponentially faster than classical players.”,”So, how did the team achieve their exponential speedup? Phattharaporn Singkanipa, USC doctoral researcher and first author, says, \”The key was squeezing every ounce of performance from the hardware: shorter circuits, smarter pulse sequences, and statistical error mitigation.\””,”The researchers achieved this in four different ways:”,”First, they limited the data input by restricting how many secret numbers would be allowed (technically, by limiting the number of 1’s in the binary representation of the set of secret numbers). This resulted in fewer quantum logic operations than would be needed otherwise, which reduced the opportunity for error buildup.”,”Second, they compressed the number of required quantum logic operations as much as possible using a method known as transpilation.”,”Third, and most crucially, the researchers applied a method called \”dynamical decoupling,\” which means applying sequences of carefully designed pulses to detach the behavior of qubits within the quantum computer from their noisy environment and keep the quantum processing on track. Dynamical decoupling had the most dramatic impact on their ability to demonstrate a quantum speedup.”,”Finally, they applied \”measurement error mitigation,\” a method that finds and corrects certain errors that are left over after dynamical decoupling due to imperfections in measuring the qubits’ state at the end of the algorithm.”,”Lidar, who is also a professor of Chemistry and Physics at the USC Dornsife College of Letters, Arts and Science, says, \”The quantum computing community is showing how quantum processors are beginning to outperform their classical counterparts in targeted tasks, and are stepping into a territory classical computing simply can’t reach., Our result shows that already today’s quantum computers firmly lie on the side of a scaling quantum advantage.\””,”He adds that with this new research, \”The performance separation cannot be reversed because the exponential speedup we’ve demonstrated is, for the first time, unconditional.\” In other words, the quantum performance advantage is becoming increasingly difficult to dispute.”,”Lidar cautions that \”this result doesn’t have practical applications beyond winning guessing games, and much more work remains to be done before quantum computers can be claimed to have solved a practical real-world problem.\””,”This will require demonstrating speedups that don’t rely on \”oracles\” that know the answer in advance and making significant advances in methods for further reducing noise and decoherence in ever larger quantum computers. Nevertheless, quantum computers’ previously \”on-paper promise\” to provide exponential speedups has now been firmly demonstrated.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Southern California\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник