Квантовые вычислительные машины постепенно переходят из разряда экспериментальных устройств в категорию полезных инструментов для научных исследований. Группа исследователей из компании IBM и их коллеги представили три новых примера задач, которые были успешно решены с помощью квантовых вычислений и которые остаются недоступными для классических суперкомпьютеров.
Исследователи из IBM и их коллеги представили три примера вычислительных задач, которые были успешно решены с помощью квантовых компьютеров и остаются невыполнимыми для традиционных машин.
В двух случаях речь шла о моделировании физических процессов, представляющих интерес для физиков, изучающих свойства материалов. В первом из них ученые смоделировали поведение квантового магнита под воздействием лазерного излучения. В ходе вычислений удалось выявить ранее неизвестное свойство — осцилляцию некоторых параметров магнита. Примечательно, что попытки провести аналогичные расчеты на японском суперкомпьютере Fugaku и с использованием графических процессоров Nvidia не привели к получению результатов.
Второй пример был посвящен изучению процессов «перемешивания» информации внутри сильно неоднородного материала. Понимание этих процессов может помочь в дальнейшем изучении хаотических явлений, например, при использовании катализаторов для ускорения химических реакций. В этом случае результаты, полученные на квантовом компьютере, сравнивали с данными ведущих классических методов моделирования. При определенных параметрах традиционные подходы уступили квантовым по точности и эффективности.
Поскольку проверить ответ квантового компьютера стандартными методами часто невозможно, исследователи разработали методику верификации. Они повторяли вычисления на нескольких квантовых процессорах с разным уровнем «шума», а также намеренно вносили помехи в некоторые вычислительные циклы. Сравнение результатов позволило количественно оценить, какая часть выходных данных является достоверной, а какая может быть следствием ошибок.
Еще один продемонстрированный случай касался так называемой «выборочной задачи» (sampling problem), связанной с анализом выходных данных множества квантовых схем. Хотя такие задачи заведомо сложны для традиционных компьютеров, квантовые устройства ранее сталкивались с трудностями при подтверждении значимости получаемого ответа. В новой работе команда разработала процедуру, включающую модификацию и повторение вычислений, что позволило определить «верность» (fidelity) полученного квантового результата.
Эксперты в этой области отмечают, что данные усилия по верификации являются важным шагом вперед. Предложенный метод все еще зависит от конкретных характеристик квантового компьютера, что необходимо для текущего поколения устройств, которые остаются относительно небольшими и подверженными ошибкам.
Также высказывается мнение, что, несмотря на прогресс, смоделированные системы пока далеки от реальных физических объектов и носят скорее фундаментальный, чем прикладной характер. Сами разработчики выражают оптимизм, рассматривая эти достижения как создание инструментария, который в будущем позволит перейти к решению конкретных практических задач, как только будет окончательно отработана методология подтверждения достоверности вычислений.