Мы живём в увлекательную эпоху квантовых вычислений, когда эксперименты в этой области могут достичь «квантового преимущества» и превзойти классические компьютеры в решении определённых задач. Хотя убедительное доказательство квантового преимущества станет переломным моментом в истории вычислений и физики, текущие эксперименты имеют серьёзные ограничения, и для объективной оценки вычислительной мощности квантовых схем необходимо более глубокое понимание этих ограничений.
Новое исследование Томаса Шустера из Калифорнийского технологического института и его коллег исследует такие ограничения с точки зрения классических алгоритмов, которые могут имитировать квантовые вычисления [1]. Их работа показывает, что возможность того, что шумные квантовые компьютеры превзойдут классические компьютеры, может быть ограничена «зоной Златовласки» — между слишком малым и слишком большим количеством кубитов.
Неисправленный шум — главное ограничение современной эпохи квантовых вычислений
Неисправленный шум является наиболее существенным ограничением современной эпохи квантовых вычислений. Показательным примером является первый эксперимент Google по достижению квантового преимущества в 2019 году с использованием 53 сверхпроводящих кубитов [2]. Хотя это и стало прорывом, в квантовых вычислениях этого эксперимента ошибки были в подавляющем большинстве его запусков (технически говоря, расчётная точность составила 0,2% при 99,8% шума).
Хотя квантовая коррекция ошибок обещает уменьшить влияние этого шума, эта стратегия требует дополнительных кубитов — масштабирование размера компьютера, которое превышает текущие экспериментальные возможности. Поэтому крайне важно понять, достижимо ли квантовое преимущество без коррекции ошибок.
Важные ограничения для экспериментов по достижению квантового преимущества без использования коррекции ошибок
Шустер и его коллеги устанавливают важные ограничения для экспериментов по достижению квантового преимущества, которые не используют коррекцию ошибок. Для этого исследователи пересматривают классический алгоритм, предназначенный для имитации шумной квантовой схемы [3, 4].
Алгоритм предназначен для воспроизведения выходных данных схемы — точнее, вероятности того, что будет измерен определённый выходной сигнал. Математика, лежащая в основе алгоритма, представляет собой фейнмановский интеграл по траекториям, который интуитивно представляет собой сумму различных способов, которыми квантовое состояние схемы может эволюционировать с течением времени. В общем случае эта сумма имеет экспоненциально большое количество членов или «путей Паули». Однако шум в схеме может «уничтожить» вклад большинства этих путей (рис. 1).
Благодаря сокращению количества путей Паули классический алгоритм может быть запущен за относительно короткое время, что помогает уравнять шансы между квантовыми и классическими машинами. Как показано в предыдущих исследованиях [3, 4], алгоритму требуется больше времени, если соответствующая квантовая схема имеет больше кубитов, но алгоритм ускоряется, если в схеме больше шума.
Выводы
Шустер и его коллеги вносят решающий вклад в область квантовых вычислений. Этот вклад важен с фундаментальной точки зрения, поскольку он проясняет разделительную линию между шумными квантовыми и классическими вычислениями. В то же время эти результаты подкрепляют прагматичный вывод, который будет важен для будущих квантовых экспериментов: хотя в краткосрочной перспективе квантовое преимущество может быть достигнуто путём реализации «зоны Златовласки» с количеством кубитов (то есть не слишком малым, но и не слишком большим по отношению к уровню шума), единственный путь к достижению полностью масштабируемого квантового преимущества — это квантовая коррекция ошибок.
[1]: ссылка
[2]: ссылка
[3]: ссылка
[4]: ссылка
[5]: ссылка
[6]: ссылка
[7]: ссылка
[8]: ссылка