Квантовое превосходство и верификация: новый метод IBM для проверки квантовых вычислений

С момента, когда Google в 2019 году заявила о достижении квантового превосходства, эта тема стала предметом ожесточённых споров в научном сообществе. Ситуация напоминает знаменитый мысленный эксперимент с котом Шрёдингера: квантовое превосходство одновременно и существует, и не существует. Когда квантовый компьютер выполняет вычисления, которые невозможно симулировать на классической машине, проверить правильность результата крайне сложно. Традиционный подход — сравнение с классическим моделированием — становится бесполезным именно в тех случаях, где квантовое превосходство действительно достигается. Поэтому результаты таких экспериментов долгое время принимались на веру, что вызывало справедливую критику. Однако IBM предложила метод, который превращает веру в знание: разработана техника верификации квантовых вычислений, не требующая классической симуляции. Этот прорыв может стать ключом к практическому использованию квантовых компьютеров в реальных задачах.

Проблема доверия к квантовым вычислениям

Когда квантовый компьютер решает задачу, недоступную классическим системам, как убедиться, что ответ верен? Это фундаментальный вопрос, который мешает широкому внедрению квантовых технологий. Без надёжного метода проверки невозможно использовать квантовые компьютеры для критически важных областей, таких как криптография, моделирование молекул для новых лекарств или оптимизация финансовых портфелей. Ошибка в таких вычислениях может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому учёные и инженеры активно ищут способы верификации, которые не требуют полного классического моделирования, поскольку для больших квантовых систем это невозможно.

Существующие методы, такие как случайные бенчмарки, позволяют оценить среднюю частоту ошибок, но не дают гарантий для конкретного вычисления. Это похоже на то, как если бы вы знали, что ваш автомобиль в среднем надёжен, но не могли бы быть уверены, что конкретная поездка пройдёт без поломки. Такой подход не удовлетворяет требованиям практических приложений, где важна каждая деталь.

Метод квантовых отпечатков: новый подход IBM

IBM предложила элегантное решение, основанное на математических свойствах квантовых схем. Идея заключается в создании так называемых «квантовых отпечатков» — уникальных идентификаторов, которые можно вычислить для каждой квантовой схемы и входных данных. Эти отпечатки можно проверить на классическом компьютере, не выполняя полную симуляцию. Если квантовый компьютер выдаёт результат, соответствующий ожидаемому отпечатку, то с высокой вероятностью вычисления были корректны.

Технически метод использует свойства квантовой запутанности и интерференции. Для заданной квантовой схемы исследователи строят дополнительную проверочную схему, которая переплетает выходные кубиты с вспомогательными. Затем измеряются некоторые кубиты, и результат сравнивается с ожидаемым значением, которое можно вычислить классически. Если значения совпадают, это подтверждает корректность исходных вычислений. Ключевой момент — возможность классического вычисления ожидаемого значения. Это достигается за счёт того, что проверочная схема строится таким образом, что её поведение предсказуемо для корректных результатов. Если квантовый компьютер допустил ошибку, вероятность совпадения резко падает.

Как работает верификация на практике?

Представьте, что вы отправляете квантовый алгоритм на выполнение. Вместо того чтобы просто получить ответ, вы также получаете «контрольную сумму» — квантовый отпечаток. Этот отпечаток можно проверить на обычном компьютере за полиномиальное время. Если отпечаток совпадает с ожидаемым, вы можете быть уверены, что вычисления прошли правильно. Если нет — что-то пошло не так.

Эксперименты, проведённые IBM на реальных квантовых процессорах, включая системы с более чем 100 кубитами, показали, что метод способен обнаруживать ошибки с вероятностью более 99%. При этом накладные расходы на проверку составляют всего несколько процентов от общего времени вычислений, что вполне приемлемо. Это делает метод масштабируемым и практичным для использования в реальных приложениях.

Предыстория: гонка за квантовым превосходством

Гонка началась в 2019 году, когда Google объявила, что её процессор Sycamore выполнил задачу за 200 секунд, на которую классическому суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет. Это заявление было встречено скептически, особенно со стороны IBM, которая утверждала, что классический компьютер может справиться быстрее, если использовать более эффективные алгоритмы. С тех пор обе компании, а также Intel, Rigetti и другие игроки, продолжают совершенствовать квантовые системы.

Однако проблема верификации оставалась камнем преткновения. Без надёжного метода проверки невозможно использовать квантовые компьютеры для критически важных задач. Именно поэтому новый метод IBM имеет такое большое значение: он предоставляет инструмент для подтверждения корректности вычислений, что необходимо для практического применения.

Что такое квантовое превосходство?

Квантовое превосходство — это момент, когда квантовый компьютер решает задачу, которую классический компьютер не может решить за разумное время. Это не означает, что квантовый компьютер всегда быстрее, но для определённых задач он может быть экспоненциально эффективнее. Достижение квантового превосходства — важная веха, но оно также поднимает вопрос: как мы можем доверять результатам, которые не можем проверить классически?

IBM предлагает ответ: использовать квантовые отпечатки для верификации. Это не только решает проблему доверия, но и открывает путь к «полезным квантовым вычислениям», когда квантовые компьютеры будут решать реальные задачи бизнеса и науки.

Технические детали и сравнение с конкурентами

В статье, опубликованной на arXiv, исследователи описывают два варианта метода: один для квантовых схем с малым числом кубитов, другой для более крупных систем. В первом случае проверка выполняется за полиномиальное время на классическом компьютере, что делает её практичной. Для больших систем метод также работает, но требует некоторых допущений о структуре схемы.

Сравнение с конкурентами: Google также работает над методами верификации, но их подходы в основном сосредоточены на случайных схемах. IBM делает ставку на универсальные методы, которые можно применять к более широкому классу задач. Это может стать конкурентным преимуществом, так как пользователи смогут проверять любые свои вычисления, а не только тестовые.

Какие задачи можно проверить?

Метод применим к широкому классу квантовых алгоритмов, включая те, которые используются в криптографии, моделировании молекул и оптимизации. Например, в фармацевтике моделирование молекул для новых лекарств требует высокой достоверности, и теперь её можно проверить. В финансах квантовые вычисления могут использоваться для оптимизации портфелей, и верификация обеспечит надёжность результатов.

Кого затронет новый метод

Новый метод важен для нескольких групп. Во-первых, для исследователей, которые используют квантовые компьютеры в научных целях: они смогут быть уверены в своих результатах, что ускорит публикации и снизит риск ошибок. Во-вторых, для бизнеса, особенно в таких областях, как финансы и фармацевтика, где точность критична. Например, моделирование молекул для новых лекарств требует высокой достоверности, и теперь её можно проверить.

В-третьих, для разработчиков квантовых алгоритмов: они смогут отлаживать свои коды, зная, что ошибки будут обнаружены. Это снизит барьер входа в квантовое программирование. В России и СНГ также активно развиваются квантовые технологии, например, в МГУ и РКЦ, и этот метод может быть использован в их разработках.

Наконец, для инвесторов и аналитиков: надёжная верификация повышает доверие к квантовым вычислениям, что может стимулировать инвестиции в отрасль.

Что будет дальше: планы IBM и будущее квантовых технологий

IBM планирует интегрировать метод верификации в свою облачную платформу IBM Quantum, чтобы пользователи могли автоматически проверять свои вычисления. Это может произойти уже в ближайшие месяцы. Также компания продолжит исследования, чтобы расширить класс задач, для которых применим метод.

В долгосрочной перспективе можно ожидать, что подобные методы станут стандартом в индустрии. Это приблизит момент, когда квантовые компьютеры будут использоваться для реальных производственных задач, а не только для экспериментов. Возможно, в течение нескольких лет мы увидим первые коммерческие применения, где верификация будет играть ключевую роль.

Как это повлияет на развитие квантовых компьютеров?

Метод верификации IBM — это важный шаг к практическому использованию квантовых компьютеров. Он решает одну из главных проблем — доверие к результатам. Благодаря этому квантовые вычисления становятся более надёжными и доступными для широкого круга пользователей. Следите за развитием квантовых технологий, потому что они уже перестают быть чисто теоретическими.