Уявіть собі, що ви кидаєте 61 монету одночасно — за винятком того, що монети можуть взаємодіяти одна з одною дивними квантовими способами, і перед кожним підкиданням ви можете вибрати їх за допомогою десятків випадкових операцій.
Тепер повторіть цей експеримент мільйон разів і запишіть рядки нулів і одиниць (голови і решки).
Простіше кажучи, це те, про що дослідники попросили квантовий процесор IBM Nighthawk r2. Експеримент називається рандомізацією схеми, і він не призначений для вирішення чогось дійсно практичного в реальному світі. Натомість вчені використовують це як стрес-тест: чи може квантовий комп’ютер виробляти шаблони результатів, які звичайному комп’ютеру було б надзвичайно важко відтворити?
У новому експерименті дослідники застосували 36 раундів операцій з 61 квантовим бітом або кубітом, що включає 918 двокубітних взаємодій. Тоді процесор згенерував мільйон результатів за 19 секунд.
Як це унікально
Важлива частина не в тому, що квантовий комп’ютер може дуже швидко викидати нулі та одиниці. Це може зробити будь-який ноутбук. Проблема полягає у відтворенні тієї самої ймовірнісної моделі, створеної квантовою ланцюгом — непомітний спосіб, у який деякі рядки бітів стають більш імовірними, ніж інші, після взаємодії кубітів.
Дослідники на чолі з Тіграном Седракіаном з BlueQubit, програмного забезпечення для квантових обчислень і хмарної платформи в Сан-Франциско, підрахували, що знадобиться близько 110 років, щоб створити один мільйон зразків із порівнянною точністю за допомогою спеціального класичного методу моделювання на Frontier, одному з найпотужніших суперкомп’ютерів у світі. Машина IBM завершила експеримент за лічені секунди.
Результат, описаний у препринті, який ще не пройшов рецензію, знаменує собою новий етап у довгій гонці за квантову перевагу: момент, коли квантовий комп’ютер може виконувати конкретне обчислювальне завдання, яке практично не під силу звичайним машинам. І на відміну від багатьох попередніх демонстрацій, у цій демонстрації використовувався квантовий процесор, доступний стороннім дослідникам через хмарну платформу IBM, а не спеціальна лабораторна машина.
Як перевірити відповідь, яку ви не можете обчислити
Дослідникам IBM потрібно було розробити модель, яку було б дуже важко імітувати звичайному комп’ютеру. Їх очевидним вибором було вдатися до стандартної галузевої практики під назвою випадкова вибірка ланцюга. Вони провели 61 кубіт через 36 раундів операцій, неодноразово змушуючи кубіти взаємодіяти та сплутуватися. З кожним раундом можливі результати зростали, і звичайному комп’ютеру ставало важче відстежувати потенційну базову схему.
Зрештою, дослідники масштабували квантовий процесор у мільйон разів. Кожне вимірювання створювало 61-значний рядок нулів і одиниць.
Але будь-який комп’ютер може генерувати випадкові рядки. Хитрість полягала в тому, щоб побачити, чи відповідають ці рядки характерній ймовірнісній моделі, створеній квантовою схемою.
Це поставило дослідників перед набридливою проблемою: як перевірити продуктивність квантового комп’ютера, якщо обчислити правильну повну відповідь само по собі дуже складно?
Спочатку вони створили “патч” версії схеми. Замість того, щоб дозволити всім 61 кубітам взаємодіяти як одна гігантська система, вони навмисно розрізають деякі з’єднання та ділять схему на три або чотири менші групи. Ці менші деталі були досить простими, щоб звичайний комп’ютер міг їх точно змоделювати. Це дало дослідникам довідкову відповідь: вони могли порівняти те, що виробляв квантовий процесор, з тим, що мали б виробляти класичні обчислення, а потім використовувати менші тести, щоб побачити, наскільки точна вся схема.
Друге розслідування мало зовсім інший підхід. Команда створила дзеркальні схеми, завдяки яким квантовий комп’ютер виконує одну послідовність операцій, а потім негайно виконує зворотну послідовність. В ідеальній машині друга половина повинна повернути першу і повернути кубіти в початковий стан. Чим далі автомобіль приземлявся від цієї початкової точки, тим більше шуму та помилок накопичувалося в дорозі. Найважливіше те, що цей тест не вимагав класичного комп’ютера для розрахунку повного квантового виходу.
Важливим є те, що два тести — один класично досліджував менші частини, інший базувався на проханні квантового процесора повторити свої кроки — дали послідовні результати в міру поглиблення схем, що дало дослідникам впевненість, що весь експеримент поводився так, як очікувалося.
Після 36 циклів залишковий квантовий сигнал мав достовірність близько 0,23 відсотка. Це число лякає, якщо ви думаєте про нього як просту точність, але це не результат тесту. У цьому типі експерименту більша частина тонкої квантової інформації поступово вимивається шумом. Важливо те, чи зберігається вимірний підпис ідеальної квантової моделі, і чи може класичний комп’ютер відтворити його з порівнянною точністю.
Дослідники стверджують, що 36 циклів досягли критичної точки: схема стала занадто дорогою для класичного моделювання, тоді як квантовий сигнал був достатньо сильним для виявлення. Ось тут і з’явилася заявлена обчислювальна перевага.
«Найбільш прямо підтримувана точка — це 61-кубітний експеримент із 36 циклами, який знаходиться на етапі зниження вартості», — пишуть автори.
Нове апаратне забезпечення IBM допомагає пояснити, як дослідники змогли зібрати стільки даних так швидко. Nighthawk r2 має 120 програмованих кубів, але його найбільше покращення порівняно з процесором Heron попереднього покоління IBM полягає не лише в розмірі. Це те, як швидко машина може перезавантажитися та почати знову.
Подібні квантові експерименти дуже повторюються. Процесор запускає схему, вимірює кубіти, скидає їх до чистого початкового стану та запускає знову — тисячі чи мільйони разів. У Heron цей період був частково обмежений часом, необхідним для того, щоб кубіти були переставлені. Натомість Nighthawk r2 використовує спеціальний механізм скидання, який активно забирає енергію з кожного кубіта, скорочуючи час простою між запусками до однієї мікросекунди.
IBM каже, що Nighthawk r2 може виконувати понад 100 000 циклів на секунду, у порівнянні з приблизно 4000 циклами на секунду на Heron. Іншими словами, серія ланцюгових вбивств, які зайняли б Heron приблизно 25 секунд, могла пройти через Nighthawk r2 буквально приблизно за секунду. У цьому випадку мільйонний пробіг зайняв лише 19 секунд.
Зображення 110-річної давності позначене зірочкою
Квантова перевага завжди була рухомою мішенню.
У знаковому експерименті Google Sycamore у 2019 році 53-кубітний процесор згенерував вибірку за 200 секунд, що, за початковими оцінками дослідників, займе у суперкомп’ютера близько 10 000 років. Але це твердження відразу було оскаржено. До 2021 року команда, яка використовувала китайський суперкомп’ютер Sunway, повідомила про алгоритм, який міг імітувати завдання вибірки Sycamore на типовій обчислювальній платформі приблизно за 304 секунди. Більш пізні експерименти, в тому числі 67-кубітне дослідження Google, опубліковане в Nature у 2024 році, тому більше зосереджувалися на шумі та класичних стратегіях, які можуть імітувати порівняльні результати.
Нове дослідження визнає, що його 110-річна кількість включає спеціальне моделювання тензорної мережі та необмежену пам’ять. Кращі алгоритми, повторне використання інтервальних обчислень та інші стратегії наближення можуть значно зменшити це число. Автори чітко заявляють, що історія підказує певну волю.
Отже, Nighthawk r2 раптово не зробив класичні суперкомп’ютери застарілими чи вирішив комерційно корисну проблему.
Але це перетнуло важливу межу. Квантовий експеримент, який здавався надзвичайно дорогим для класичного повторення, тепер можна запустити за лічені секунди на апаратному забезпеченні, до якого дослідники можуть отримати доступ через хмару — і, що важливіше, мати проблему самостійно.
Знахідки були описані на сервері препринтів arXiv.
