IBM и изследователи от Чикагския университет обявиха демонстрация на квантови изчисления, отговаряща на ключовите критерии за квантово превъзходство. В хода на експеримента беше извършено изчисление, надхвърлящо практическите възможности на водещите класически методи за моделиране, както и бяха получени доказателства, че квантовият компютър е дал достоверен резултат.

Учените приложиха нова стратегия за корекция на грешки, за да кодират 70 логически кубита и да решат задача, считана за класически нерешима. Квантовото изчисление приключи за около 15 минути, докато водещите класически методи биха отнели непрактично много време за изпълнението на същата задача.

В научна статия изследователите описват как са постигнали и двете цели, използвайки нова форма на кодирана квантова схема. Тази работа представлява една от най-мащабните демонстрации на логически квантови изчисления, за които е съобщавано досега. Схемите и експерименталните резултати също бяха публикувани в отворен достъп чрез Quantum Advantage Tracker. Изследователите отдавна използват еталонен тест, наречен „вземане на проби от случайни схеми“ (RCS), за да установят дали квантовите компютри могат да надминат класическите машини.

Казано по-просто, RCS поставя пред квантовия компютър предизвикателството да генерира модели, които стават толкова сложни, че класическият компютър не може ефективно да ги възпроизведе. Това прави теста полезен за проверка на границите на класическото моделиране, но това създава и сериозен проблем. Веднага щом квантовите изчисления станат твърде сложни за възпроизвеждане от класически компютър, проверката дали квантовата машина наистина е дала правилен резултат също става все по-сложна. В крайна сметка самата проверка на отговора може да стане невъзможна, освен ако изследователите не направят силни предположения за вътрешното поведение на квантовия компютър. Екипът на IBM и Чикагския университет подходи към този проблем с проверката, като разработи по-структурирана алтернатива на RCS.

Изследователите показаха, че техният метод запазва същите критерии за изчислителна сложност като RCS, т.е. задачата остава изключително сложна за класическите компютри. В същото време добавената структура позволява откриването на грешки по време на квантовите изчисления.

„Проверката остава един от най-големите проблеми при установяването на експерименталното квантово превъзходство. Този експеримент развива методи за по-добро характеризиране на точността на сложни квантови състояния при наличие на шум, като повишава увереността, че квантовият компютър решава изчислително сложна задача.“

заяви Бил Феферман, доцент в Чикагския университет

Експериментът включваше една от най-мащабните известни демонстрации на квантова корекция на грешки. Изследователите използваха 70 логически кубита. За разлика от отделните физически кубити, логическите кубити се кодират по такъв начин, че да предпазват квантовата информация от грешки и шум. Използвайки тези логически кубити, екипът изпълни 2415 логически двукубитни операции и 468 логически „T-гейта“ – два показателя, отразяващи сложността на квантовата схема.
Кодираната конструкция значително повиши надеждността. Ефективните нива на логическите грешки бяха 10 пъти по-ниски от базовите физически нива на грешки, което позволи на схемата да запази необичайно висока точност дори при изпълнението на голям брой квантови операции.

Квантовото превъзходство е в нова фаза

„Ние твърдо сме навлезли в ерата на квантовото превъзходство. Демонстрирахме квантови изчисления, които надхвърлят практическите възможности на класическите компютри и които със статистическа сигурност установяват долната граница на точността при тяхното изпълнение. Този важен момент дава на учените, разработчиците и бизнеса нова основа за доверие в квантовите компютри, докато те се мащабират за решаване на задачи, които далеч надхвърлят нашите класически възможности.“

заяви Джей Гамбета, директор на IBM Research и научен сътрудник в IBM

Изследователите откриха, че много от водещите методи за класическо моделиране ще се сблъскат с неприемливо дълго време за изпълнение при опит да решат същата задача. За сравнение, квантовият компютър на IBM завърши изчислението за около 15 минути.

Стъпка към по-големи и надеждни квантови компютри

Самата скорост не е достатъчна, за да станат квантовите изчисления полезни в голям мащаб. Изследователите се нуждаят и от начини за потискане на грешките и за установяване на увереност, че квантовата система е дала достоверен резултат.
Този експеримент допринася едновременно за постигането и на двете цели, като съчетава широкомащабни логически квантови изчисления с метод за оценка на надеждността на изчисленията, който вече надхвърля границите на практическото класическо моделиране. Корекцията на грешките и надеждната верификация се считат за необходими за мащабирането на квантовите компютри с цел решаване на по-сложни задачи, което превръща новата демонстрация във важна стъпка по пътя към тази цел.