Сейчас мы находимся на захватывающем этапе разработки квантовых компьютеров и понимания их вычислительных возможностей. Было продемонстрировано, что квантовые компьютеры могут превосходить классические (если вы согласны с моими аргументами из первой и второй частей этой мини-серии). Также было показано, что квантовая отказоустойчивость возможна по крайней мере для нескольких логических кубитов. Вместе они формируют элементарные строительные блоки полезных квантовых вычислений.
Однако устройства, которые мы видели до сих пор, всё ещё далеки от того, чтобы быть полезными для каких-либо выгодных приложений, например, в физике конденсированных сред или квантовой химии, где и кроется потенциал квантовых компьютеров.
Так что же будет дальше в области квантового преимущества? Об этом и пойдёт речь в третьей и последней части моей мини-серии на вопрос «Было ли достигнуто квантовое преимущество?».
Режим со 100 логическими кубитами
Я хочу иметь в виду режим, в котором у нас есть 100 хорошо функционирующих логических кубитов, то есть 100 кубитов, на которых мы можем запустить около 100 000 вентилей. Создание устройств, работающих в этом режиме, потребует тысяч физических кубитов и поэтому выходит далеко за рамки экспериментов по доказательству принципа квантового преимущества и отказоустойчивости, которые были проведены.
В то же время это на один или несколько порядков дальше от любых первых приложений, таких как моделирование, например, модели Ферми-Хаббарда или взлома криптографии. Другими словами, это качественно иной режим по сравнению с ранними отказоустойчивыми вычислениями, которые мы можем выполнять сейчас. И всё же нет чёткой картины того, что мы можем и должны делать с такими устройствами.
Следующая веха: классически проверяемое квантовое преимущество
В этом посте я хочу аргументировать, что ключевой вехой, к которой мы должны стремиться в режиме со 100 логическими кубитами, является классически проверяемое квантовое преимущество. Для достижения этого потребуется не только скачок в возможностях квантовых устройств, но и поиск схем преимущества, которые допускают классическую проверку с использованием этих ограниченных ресурсов.
Почему это интересная и выполнимая цель? Чтобы убедиться в этом, нужно рассмотреть способ верификации экспериментов RCS. Проверка использует XEB, который можно классически подделать, и фактически измеряется только в режиме, поддающемся симуляции.
На самом деле, в эксперименте по квантовому преимуществу я бы хотел, чтобы существовала эффективная процедура, которая без каких-либо разумных сомнений убедила бы нас в том, что вычисление должно было быть выполнено на квантовом компьютере, когда мы его запускаем.
Проблема и пути её решения
С одной стороны, мы знаем о схемах, которые позволяют нам классически проверять, что компьютер является квантовым, и генерировать случайные числа, так называемые криптографические доказательства квантовости (PoQ). Их большой недостаток заключается в том, что они требуют большого количества кубитов и операций, сравнимых с ресурсами, необходимыми для факторизации. С другой стороны, вычисления, которые мы можем выполнять в режиме преимущества, — в основном случайные схемы — очень ресурсоэффективны, но не поддаются проверке.
Режим со 100 логическими кубитами находится прямо посередине, и более чем правдоподобно, что в этом режиме возможно классически проверяемое преимущество. Теоретическая задача, стоящая перед нами, — найти её: схему квантового преимущества, которая была бы очень ресурсоэффективной, как RCS, и в то же время классически проверяемой, как доказательства квантовости.
Для достижения проверяемого преимущества в режиме со 100 логическими кубитами нам нужно закрыть разрыв между случайным выбором схем и доказательствами квантовости.
Конкретные цели
1. Демонстрация отказоустойчивого квантового преимущества. Прежде чем говорить о проверяемом преимуществе, первый эксперимент, который я хотел бы увидеть, — это эксперимент, который объединяет два больших достижения последних лет и показывает, что квантовое преимущество и отказоустойчивость могут быть достигнуты одновременно.
2. Закрытие лазейки с верификацией. Я сказал, что ключевой вехой для режима со 100 логическими кубитами является поиск схем, которые лежат между RCS и доказательствами квантовости с точки зрения требований к ресурсам, но в то же время допускают более эффективную и убедительную проверку, чем RCS.
Это лишь некоторые из конкретных целей, которые мы можем достичь, используя 100 логических кубитов на пути к классически проверяемому квантовому преимуществу.