Как проверить правильность вычислений квантового компьютера, если классическому это не под силу?

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Квантовые вычисления обещают решить, казалось бы, нерешаемые задачи в таких областях, как физика, медицина, криптография и других.

Но по мере того, как накаляется гонка по созданию первого крупномасштабного коммерческого устройства без ошибок, возникает вопрос: как мы можем проверить, что эти «невозможные» решения верны?

Новое исследование Технологического университета Суинберна решает этот парадокс. Статья опубликована в журнале Quantum Science and Technology.

«Существует ряд проблем, которые даже самый быстрый в мире суперкомпьютер не может решить, если только вы не готовы ждать ответа миллионы или даже миллиарды лет», — говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник Центра квантовой науки и технологий Суинберна Александр Деллос.

«Поэтому для проверки квантовых компьютеров необходимы методы сравнения теории и результата без многолетнего ожидания, пока суперкомпьютер выполнит ту же задачу».

Команда Суинберна разработала методы проверки выходных данных определенного типа квантового компьютера, называемого гауссовым бозонным сэмплером (GBS). Этот квантовый компьютер использует фотоны, частицы света, для вычисления вероятностей, расчет которых на самом быстром суперкомпьютере мира занял бы тысячи лет.

«Разработанные методы позволяют нам всего за несколько минут на ноутбуке определить, выдает ли эксперимент GBS правильный ответ и какие ошибки, если они есть, присутствуют».

Чтобы продемонстрировать метод, команда проверила недавний эксперимент GBS, воспроизведение которого с использованием существующих суперкомпьютеров заняло бы не менее 9000 лет. Они обнаружили, что распределение вероятностей GBS не соответствовало тому, что пытался воспроизвести эксперимент, при этом в эксперименте присутствовал дополнительный шум, который не анализировался.

Теперь им предстоит выяснить, является ли воспроизведение альтернативного распределения вычислительно сложной задачей или эти ошибки привели к тому, что квантовый компьютер потерял свою «квантовость».

Ответ на этот вопрос проложит путь к созданию безошибочных квантовых компьютеров, доступных на коммерческом уровне, и Деллос надеется быть в авангарде этого процесса.

«Разработка крупномасштабных квантовых компьютеров без ошибок — это титаническая задача, которая, в случае ее решения, произведет революцию в таких областях, как разработка лекарств, ИИ, кибербезопасность, и позволит нам углубить понимание физической вселенной.

«Важнейшим компонентом этой задачи являются масштабируемые методы проверки квантовых компьютеров, которые увеличивают наше понимание того, какие ошибки влияют на эти системы и как их исправить, гарантируя, что они сохранят свою «квантовость»».

Больше информации: Alexander S Dellios et al, Validation tests of Gaussian boson samplers with photon-number resolving detectors, Quantum Science and Technology (2025). DOI: 10.1088/2058-9565/adfe16

Источник: Swinburne University of Technology