Несколько лет назад Google произвела фурор, заявив о достижении «квантового превосходства», то есть способности квантового процессора выполнять операции, которые практически невозможно смоделировать на классическом компьютере. Позже математики разработали методы, помогающие классическим компьютерам квантовый процессор Google, что побудило компанию повторить работу над усовершенствованным процессором.
Пока шло это состязание, внимание исследователей в этой области стало больше концентрироваться на двух дополнительных критериях успеха: на квантовой полезности, при которой квантовый компьютер выполняет вычисления, имеющие практическую ценность; и на квантовом преимуществе, при котором квантовая система выполняет вычисления быстрее, чем классические компьютеры. На днях Google опубликовала статью, описывающую вычислительный подход, который демонстрирует квантовое преимущество по сравнению с существующими алгоритмами и может действительно помочь нам достичь чего-нибудь полезного.
«Сегодня мы представляем прорывной алгоритм, который фактически знаменует собой очередной важный этап в области вычислений, количество которых можно проверить. Если бы другой квантовый компьютер выполнит те же расчеты, результат будет таким же. Это новый шаг к полномасштабным квантовым вычислениям, — заявил Мишель Деворэ, главный научный сотрудник Google Quantum AI. — Этот алгоритм „квантового эха“ не только верифицируемый, так что результат его вычислений может быть получен другим аналогичным квантовым компьютером, но и обладает квантовым преимуществом: он реализует вычисления, которые заняли бы гораздо больше времени, чем на классическом оборудовании».
Алгоритм «квантового эха» работает в несколько этапов: сигнал посылается в квантовую систему, а затем меняется на противоположный для прослушивания возвращающегося «эха», усиленного конструктивной интерференцией (явлением, при котором квантовые волны суммируются, становясь сильнее).
Сначала ученые провели серию операций на квантовом процессоре Willow с массивом из 105 кубитов. Затем, после возмущения одного кубита, те же самые операции были выполнены в обратном порядке. В результате был получен любопытный «эффект бабочки», который можно использовать для получения информации о квантовой системе. Этот эффект ученые использовали для измерения расстояния между атомами в двух молекулах, пишет Life Science.
Чтобы подтвердить производительность алгоритма на процессоре Willow по сравнению с классическими суперкомпьютерами, исследователи провели строгие тесты проверки надежности результатов. Вычисления, на которое квантовый компьютер потратил 2,1 часа, у суперкомпьютера Frontier заняли бы примерно 3,2 года.
Что касается практической полезности, то алгоритм может выполнять аналог выборки Монте-Карло, которую применяют для исследования поведения самых разных физических систем. Кроме того, команда исследователей разработала квантовую схему, имитирующую поведение молекул лаборатории спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). При этом они обнаружили ранее неизвестные детали межатомного расстояния и структуры двух молекул, содержащих 15 и 28 атомов соответственно.
Система, использованная в этом эксперименте, была небольшой (15 кубитов), но будущие исследования позволят моделировать молекулы в четыре раза большего размера — масштаб, невозможный для классического моделирования.
Ученые Google Quantum AI утверждают, что уже через пять лет мы увидим практическое применение квантовых устройств. Однако нам все еще потребуется масштабировать аппаратное обеспечение, чтобы оно могло работать с миллионами кубитов. Пока что самые мощные из современных квантовых компьютеров оперируют всего сотнями или тысячями кубитов.
