Некоторые вычислительные задачи настолько сложны, что для них требуются огромные суперкомпьютеры с тысячами мощных процессоров. Но новый эксперимент показал, насколько сильно в отдельных случаях от них уже могут отрываться квантовые системы.
Квантовый процессор IBM Nighthawk r2 выполнил задачу всего за 19 секунд. По оценке исследователей, одному из мощнейших классических суперкомпьютеров для аналогичного расчёта могло бы понадобиться около 110 лет.
Речь идёт о так называемой выборке случайных квантовых схем — задаче, которая давно используется для проверки того, способен ли квантовый компьютер выполнять вычисления, практически недоступные обычным машинам.
Квантовая схема состоит из последовательности операций над кубитами — квантовыми аналогами обычных битов. В эксперименте эти операции во многом выбираются случайно, постепенно создавая чрезвычайно сложное квантовое состояние. После этого процессор многократно измеряет его и получает последовательности нулей и единиц.
Для самого квантового компьютера получение таких результатов относительно просто. Проблема возникает при попытке воспроизвести их на обычном компьютере: чем больше кубитов и операций используется, тем сложнее рассчитать распределение вероятностей, необходимое для получения тех же данных.
Подобные эксперименты проводились и раньше. В 2019 году Google сообщила, что её 53-кубитный процессор выполнил задачу, считавшуюся недоступной для классических суперкомпьютеров. Однако позже исследователи нашли более эффективные способы моделировать такие вычисления на обычных машинах.
Новый эксперимент отличается тем, что проводился не на специально созданной лабораторной установке.
Исследователи использовали 120-кубитный процессор Nighthawk r2, к которому пользователи могут получить доступ через облачную платформу IBM. Для эксперимента задействовали 61 кубит.
Кубиты проходили через случайные последовательности операций всё возрастающей сложности — до 40 циклов. Оптимальный результат получили при 36 циклах, включавших 918 операций между парами кубитов.
В этих условиях процессор сформировал один миллион образцов всего за 19 секунд.
Но оценить, сколько времени потребовалось бы обычному суперкомпьютеру, оказалось гораздо сложнее.
Исследователи не стали напрямую запускать задачу на одном из крупнейших суперкомпьютеров мира. Вместо этого они воспользовались методом, позволяющим оценить вычислительные затраты на моделирование квантовой схемы классической системой.
Расчёты показали, что воспроизведение миллиона полученных образцов потребовало бы примерно 1,2 × 10²⁷ вычислительных операций.
Для сравнения использовали производительность суперкомпьютера Frontier, который был самым быстрым в мире до 2024 года. Исходя не из его максимальной, а из более консервативной устойчивой производительности, исследователи получили оценку примерно в 110 лет непрерывных вычислений.
Однако у этого сравнения есть важное ограничение.
110 лет — не абсолютный предел возможностей обычных компьютеров. Это оценка, основанная на конкретном известном способе воспроизведения квантового эксперимента.
История подобных соревнований уже показывала, что исследователи классических вычислений способны находить новые алгоритмы и неожиданные сокращения вычислительных затрат. Если появится более эффективный метод, необходимое время может резко уменьшиться.
Авторы исследования сами подчёркивают это. Они не утверждают, что обычные компьютеры никогда не смогут повторить результат Nighthawk r2. Речь идёт о том, что при нынешнем способе оценки квантовый процессор оказался значительно впереди.
Особенность работы ещё и в том, что эксперимент проводился на общедоступном квантовом оборудовании через стандартную облачную систему, без специальной настройки процессора под конкретную задачу.
Исследователи также опубликовали использованные квантовые схемы, полученные данные и код анализа, чтобы другие специалисты могли самостоятельно проверить результаты.
Пока работа ещё не прошла рецензирование. Её предварительная версия опубликована на arXiv.
