Физики показали, что квантовое превосходство может быть достигнуто

Chao-Yang Lu/University of Science and Technology of China

Однозначно определить квантовое превосходство ничуть не проще, чем его достичь. Физики разработали две новые задачи, которые позволяют судить, что передовые квантовые компьютеры уже обошли классические по своей мощности

Квантовые компьютеры в теории способны на голову превзойти классические вычислительные машины, которые мы используем сегодня. Квантовый алгоритм может быть способен быстро решить задачу, на вычисление которой у его классического «коллеги» уйдут дни и даже годы. Если квантовый компьютер сможет сделать это, тогда можно будет говорить о достижении так называемого «квантового превосходства». 

Но большая часть разрабатываемых сегодня вычислительных систем подобного рода не сравнивается в быстродействии с аналогичными классическими алгоритмами. Все дело в том, что большинство современных квантовых компьютеров содержат меньше десятка кубитов, а это слишком мало для решения сложных задач. Тем не менее, авторы новой работы показали, что даже существующие квантовые программы могут превосходить традиционные классические.

На практике подход к демонстрации квантового превосходства основан на «задачах выборки» — вычислительных задачах, решения которых являются случайными значениями из заданного распределения вероятностей. Квантовое превосходство в таком случае достигается, если классический компьютер не может генерировать эти значения, тогда как квантовый может. И в некоторых случаях квантовым компьютерам (например, процессору Sycamore от Google) удается решить «задачу выборки». Проблема в том, что на это также способны классические компьютеры, надо лишь написать правильный код.

Ученые в новой работе показали новое «испытание» на квантовое превосходство. Они показали превосходящую мощь квантового алгоритма над классическим в двух моделях: одной фотонной, другой сверхпроводящей. В каждом случае цель состояла в том, чтобы увеличить количество частиц (например, фотонов в интерферометре или количество кубитов в сверхпроводящей цепи), а также глубину цепи (максимальное количество последовательных операций между входом компьютера и его выходом) до такой степени, что классическое моделирование результата становится невозможным. Такие подходы, по словам авторов, позволяют более однозначно выявить превосходство квантовых алгоритмов.

Фотонный эксперимент решает проблему выборки бозонов. Оригинальная, строго сформулированная задача (называемая бозонной дискретизацией) включает в себя создание многоканального интерферометра и отправку через порты сигналов: за единицу принимается один фотон, а за ноль — отсутствие частиц. После прохождения через многоканальный интерферометр сигналы анализируются. Анализ дискретизации бозонов показывает, что при соблюдении четких и правил и условий проблема дискретизации выходного сигнала схемы сложна для классических машин, но может быть эффективно решена при помощи квантовой фотонной интерферометрии.

Статья исследователей опубликована в журнале Physical Review Letters.