Совместная работа инженеров IBM и учёных из Беркли доказала возможность более быстрого достижения практической ценности квантовыми компьютерами, чем это считалось ранее. Не зря волнуются банкиры, не зря. Разработка новых квантовых алгоритмов и оптимизация существующих может как снег свалиться на голову тем, кто не верит в скорое появление нечувствительных к ошибкам квантовых платформ.
127-кубитовый процессор Eagle. Источник изображений: IBM
Доклад о прогрессе квантовых вычислений вышел в журнале Nature в виде научной статьи и даже попал на обложку номера. Если говорить коротко, IBM впервые продемонстрировала, что квантовые системы могут давать точные результаты в масштабе 100+ кубитов, что «превосходит ведущие классические подходы». Это означает, что современные так называемые шумные квантовые компьютеры могут вести расчёты с «классической» точностью без чрезмерных усилий по смягчению ошибок.
Что такое чрезмерные усилия по смягчению ошибок во время квантовых расчётов в серии работ показала компания Google. Согласно исследованию компании, для создания полностью безошибочного квантового компьютера необходимо каждый логический кубит поддерживать массивом из 1000 физических кубитов, которые будут устранять ошибки в одном единственном кубите (регистре) и, фактически, не будут принимать участие в расчётах. Тем самым для практически значимого квантового компьютера из 1000 логических кубитов нужна платформа из миллиона физических кубитов. Сегодня это примерно стадион криогенного оборудования и атомная электростанция в придачу.
Новая работа IBM показала, что даже современный квантовый компьютер можно научить исправлять ошибки алгоритмически без привлечения к этому значительного числа физических кубитов. В качестве испытательной платформы IBM использовала условно новый 127-кубитовый процессор Eagle (в прошлом году компания представила 433-кубитовый Osprey). Оба процессора используют сверхпроводящие кубиты. На системе Eagle была промоделирована динамика спинов в модели материала с магнитными свойствами. Модель демонстрировала намагниченность материала.
Для проверки точности работы квантовой системы одновременно с ней было запущено моделирование на классических суперкомпьютерах в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Lab's National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC) и в Университете Пердью. По мере увеличения масштаба модели квантовый компьютер продолжал выдавать точные результаты даже тогда, когда классические методы вычислений перестали справляться с задачей. Добиться такого поразительного результата всего на 100+ кубитах компания IBM смогла благодаря «передовым методам устранения ошибок».
«Мы впервые наблюдаем, как квантовые компьютеры точно моделируют физическую систему в природе, превосходя ведущие классические подходы, — сказал Дарио Гил (Darío Gil), старший вице-президент и директор IBM Research. — Для нас эта веха является значительным шагом в доказательстве того, что современные квантовые компьютеры являются рабочими научными инструментами, которые могут быть использованы для моделирования проблем, чрезвычайно сложных и, возможно, невозможных для классических систем, сигнализируя о том, что мы вступаем в новую эру практической ценности квантовых вычислений».
Подробнее о работе можно узнать в блоге компании IBM. Статья в Nature также свободно доступна по этой ссылке. В компании отдают отчёт в том, что поиск «правильных» алгоритмов — это нетривиальная задача, но она может быстро приблизить появление «утилитарных» квантовых компьютеров, что подтверждает данное исследование.
В IBM стремятся привлечь к разработке алгоритмов как можно больше специалистов из любых сфер деятельности. В следующем году компания обещает завершить развёртывание квантовых компьютеров второго поколения на 433-кубитовых процессорах. Но без алгоритмов — это всё никому не нужное дорогое «железо».
Моделирование «настоящей» физики на 100+ кубитовых платформах уже сегодня востребовано в материаловедении, фармацевтике, логистике и много где ещё. Оно способно привести к скачку в науке и технике. IBM на практике доказала, что такое возможно.