В основе эксперимента специалистов из компании Quantinuum и Амстердамского университета — игра в «сэмплирование дополнения» (complement sampling). Представьте ряд из 37 переключателей, каждый из которых может быть включен или выключен, — это дает более 137 миллиардов возможных комбинаций. В каждом раунде судья тайно делит все эти комбинации на две равные части, показывает игроку одну случайную комбинацию из первой части и просит назвать любую комбинацию из второй, дополнительной части. Правильный ответ приносит очко, неправильный — отнимает. У классического компьютера шанс угадать комбинацию ничтожно мал — менее одного к ста миллиардам.
Квантовый игрок действует иначе. Вместо того чтобы прочитать предъявленную комбинацию как набор битов (что разрушило бы суперпозицию кубитов и дало бы лишь случайный вариант), он оставляет ее в виде квантового состояния, где суперпозиция содержит сразу все комбинации из первой половины. Затем он применяет к этому состоянию короткую квантовую программу, которая действует как зеркало, отображающее первую половину на вторую, равную ей по размеру. Только после этого он считывает результат, который с гарантией принадлежит ко второй половине.
В итоге идеальный квантовый компьютер зарабатывает очко в каждом раунде, что при 37 переключателях дает преимущество в 137 миллиардов раз по сравнению с классическим игроком.
Ключевое отличие этого эксперимента от классических тестов Белла (где два игрока используют запутанность для выигрыша в игре) в том, что здесь один игрок использует именно суперпозицию, а не запутанность между удаленными частями, пишет Daily Neuron.
Эксперименты были проведены на 56-кубитном ионном квантовом процессоре Quantinuum H2, в качестве кубитов использовались ионы иттербия в ловушке. В каждом раунде генерировалась новая задача, требовавшая новой квантовой схемы — всего было выполнено более 1200 различных схем по одному измерению каждая, с количеством переключателей от 5 до 37. Максимальное количество задействованных кубитов — 55.
Хотя шум квантового процессора снижал счет по мере увеличения схем, даже при максимальном размере результат статистически значимо превышал потолок возможностей классических вычислений. Команда провела 200 раундов для каждого размера схемы (и 1000 раундов для варианта с 37 переключателями), а статистический тест с уровнем значимости 0,01 позволил исключить стандартную стратегию как причину полученных результатов. Зафиксированное преимущество росло экспоненциально и практически повторяло идеальную кривую, опускаясь ниже нее лишь при максимальном размере схемы.
Заявлениям о квантовом превосходстве не всегда можно верить, поскольку результат, опирающийся на недоказанное предположение, может быть опровергнут, а в результат, который невозможно проверить, недоказуем. Предложенная игра разом устраняет обе эти проблемы, поскольку верхний предел возможностей обычного игрока доказан строго, а правильность каждого ответа проверяется простым подсчетом. Авторы ссылаются на смежную работу Уильяма Кречмера и его коллег, посвященную разделению классов сложности без использования дополнительных предположений; таким образом, эта игра становится частью новых усилий, направленных на то, чтобы обеспечить квантовому превосходству более надежный теоретический фундамент.
Весной австралийская компания Q-Ctrl заявила о достижении практического квантового превосходства, выполнив на квантовой платформе IBM масштабную симуляцию модели Хаббарда на 120 кубитах. Моделирование динамики взаимодействующих электронов в одномерных материалах показало 3000-кратное ускорение по сравнению с лучшими классическими алгоритмами.
