Квантовые компьютеры будущего могут в конечном итоге превзойти своих классических собратьев в решении трудноразрешимых задач в информатике, медицине, бизнесе, химии, физике и других областях. Но машин еще нет: они пронизаны внутренними ошибками, над уменьшением которых исследователи активно работают.
Один из способов изучения этих ошибок — использовать классические компьютеры для моделирования квантовых систем и проверки их точности. Единственная загвоздка заключается в том, что по мере того, как квантовые машины становятся все более сложными, их моделирование на традиционных компьютерах займет годы или больше.
Теперь исследователи из Калифорнийского технологического института изобрели новый метод, с помощью которого классические компьютеры могут измерять частоту ошибок квантовых машин без необходимости их полного моделирования. Команда описывает метод в статье в журнале Nature .
«В идеальном мире мы хотим уменьшить эти ошибки. Это мечта нашей области», — говорит Адам Шоу, ведущий автор исследования и аспирант, работающий в лаборатории Мануэля Эндреса, профессора физики Калифорнийского технологического института. «Но тем временем нам необходимо лучше понять ошибки, с которыми сталкивается наша система, чтобы мы могли работать над их смягчением. Это побудило нас разработать новый подход к оценке успеха нашей системы».
В новом исследовании команда провела эксперименты с использованием простого квантового компьютера, известного как квантовый симулятор. Квантовые симуляторы более ограничены по своим возможностям, чем современные элементарные квантовые компьютеры, и предназначены для конкретных задач. Симулятор группы состоит из индивидуально управляемых ридберговских атомов (атомов в высоковозбужденных состояниях), которыми они манипулируют с помощью лазеров.
Одной из ключевых особенностей симулятора и всех квантовых компьютеров является запутанность — явление, при котором определенные атомы соединяются друг с другом, фактически не соприкасаясь. Когда квантовые компьютеры работают над проблемой, в системе естественным образом возникает запутанность, невидимо соединяющая атомы.
В прошлом году Эндрес, Шоу и их коллеги обнаружили, что по мере роста запутанности эти связи распространяются хаотичным или случайным образом, а это означает, что небольшие возмущения приводят к большим изменениям точно так же, как взмахи крыльев бабочки теоретически могут влиять на глобальные погодные условия.
Считается, что именно эта возрастающая сложность дает квантовым компьютерам возможность решать определенные типы задач намного быстрее, чем классические компьютеры, например, в криптографии, в которых необходимо быстро учитывать большие числа.
Но как только машины достигают определенного количества связанных атомов или кубитов, их больше нельзя моделировать с помощью классических компьютеров. «Когда вы превысите 30 кубитов, ситуация становится сумасшедшей», — говорит Шоу. «Чем больше у вас кубитов и запутанности, тем сложнее вычисления».
Квантовый симулятор в новом исследовании имеет 60 кубитов, что, по словам Шоу, переводит его в режим, который невозможно точно смоделировать. «Это становится ловушкой-22. Мы хотим изучить режим, в котором классическим компьютерам трудно работать, но при этом полагаемся на эти классические компьютеры, чтобы определить, корректен ли наш квантовый симулятор». Чтобы решить эту задачу, Шоу и его коллеги применили новый подход, запустив классическое компьютерное моделирование, допускающее различную степень запутанности. Шоу сравнивает это с рисованием кистями разного размера.
«Допустим, наш квантовый компьютер рисует Мону Лизу по аналогии», — говорит он.
«Квантовый компьютер может рисовать очень эффективно и, теоретически, идеально, но он допускает ошибки, из-за которых краска размывается в некоторых частях картины. Это похоже на то, как будто у квантового компьютера трясутся руки. Чтобы количественно оценить эти ошибки, мы хотим, чтобы наш классический компьютер смоделировать то, что сделал квантовый компьютер, но наша Мона Лиза была бы слишком сложной для этого. Как будто классические компьютеры имеют только гигантские кисти или валики и не могут уловить более мелкие детали».
«Вместо этого у нас есть множество классических компьютеров, которые рисуют одну и ту же вещь все более и более тонкими кистями, а затем мы прищуриваем глаза и оцениваем, как бы это выглядело, если бы они были идеальными. Затем мы используем это для сравнения с квантовым компьютером и оцените его ошибки. С помощью множества перекрестных проверок мы смогли показать, что это «прищуривание» математически обосновано и дает довольно точный ответ».
Исследователи подсчитали, что их 60-кубитный квантовый симулятор работает с частотой ошибок 91 процент (или точностью 9 процентов). Эта цифра может показаться низкой, но на самом деле она относительно высока для нынешнего состояния отрасли. Для справки, эксперимент Google 2019 года , в котором команда заявила, что их квантовый компьютер превзошёл классические компьютеры, имел точность 0,3 процента (хотя это был другой тип системы, чем тот, который использовался в этом исследовании).
Шоу говорит: «Теперь у нас есть эталон для анализа ошибок в системах квантовых вычислений. Это означает, что по мере того, как мы улучшаем аппаратное обеспечение, мы можем измерить, насколько хорошо эти улучшения сработали. Кроме того, с помощью этого нового теста мы также можем измерить, насколько хорошо работают эти улучшения. В квантовом моделировании задействовано много запутанностей, что является еще одним показателем его успеха».
