IBM i trzej partnerzy naukowi, Uniwersytet Chicagowski, Algorithmiq i Qedma, opublikowali oddzielne badania dotyczące komputerów kwantowych, skupiające się na wspólnej barierze utrudniającej twierdzenie o przewadze komputerów kwantowych: budowaniu zaufania do wyników, których klasyczne systemy nie są w stanie bezpośrednio odtworzyć.
Prace obejmują zakodowane obwody logiczne, symulacje materiałów kwantowych oraz fizykę wielociałową z redukcją błędów. W każdym przypadku procesory IBM Quantum Heron zostały wykorzystane do uruchomienia obciążeń, które – według uczestniczących zespołów – przekraczały praktyczne możliwości wiodących klasycznych metod symulacji. Badania i wyniki badań zostały opublikowane w systemie IBM Quantum Advantage Tracker w celu kontynuacji testów porównawczych.
Współpraca Uniwersytetu Chicagowskiego zademonstrowała ustrukturyzowaną alternatywę dla losowego próbkowania obwodów, powszechnego punktu odniesienia w dziedzinie kwantowej, który staje się trudny do walidacji wraz ze wzrostem złożoności układu. Technika ta, którą IBM nazywa domieszkowanym próbkowaniem Clifforda, osadza obwód Clifforda w kodzie czasoprzestrzennym, a następnie strategicznie dodaje bramki T inne niż Clifford, co klasycznie utrudnia obliczenia, zachowując jednocześnie kontrole syndromowe niezbędne do wykrywania błędów w trakcie wykonywania. Artykuł nosi tytuł „Próbkowanie twardych obwodów z weryfikowalną wysoką dokładnością”.
W eksperymencie wykonano 70 kubitów logicznych, wykonując 2,415 logicznych operacji dwukubitowych i 468 logicznych bramek T, co stanowi miarę złożoności układu. IBM i uniwersytet podają, że efektywne wskaźniki błędów logicznych są około dziesięciokrotnie niższe niż bazowe wskaźniki błędów fizycznych, co pozwoliło na uzyskanie wysokiej dokładności układu przy takiej liczbie bramek. Obliczenia kwantowe zakończyły się w około 15 minut, podczas gdy naukowcy stwierdzili, że wiodące klasyczne metody symulacji charakteryzowały się zaporowym czasem wykonania. IBM określa to jako jedną z największych znanych na świecie demonstracji korekcji błędów, a wynik jest istotny, ponieważ łączy obciążenie wykraczające poza klasyczne obliczenia ze statystyczną dolną granicą dokładności wykonania.
„Jesteśmy teraz w erę przewagi kwantowej” – powiedział Jay Gambetta, dyrektor ds. badań IBM i członek IBM Fellow. „Zaprezentowaliśmy obliczenia kwantowe wykraczające poza praktyczny zasięg komputerów klasycznych, które z wiarygodnością statystyczną określają dolną granicę dokładności wykonania. Ten kamień milowy daje naukowcom, programistom i firmom nowe podstawy zaufania do komputerów kwantowych, ponieważ skalują się one do problemów znacznie wykraczających poza możliwości klasycznego rozwiązania”.
W badaniu Algorithmiq wykorzystano procesor IBM Quantum Heron do symulacji heterogenicznego materiału kwantowego – modelu zbudowanego w celu reprezentowania układów o nieregularnych właściwościach lokalnych, interfejsach i regulowanych sprzężeniach mikroskopowych. Efekty te mają znaczenie w przypadku materiałów takich jak katalizatory i elektrolity akumulatorów, gdzie lokalne zaburzenia wpływają na ruch energii, cząstek i informacji. Zespół opracował algorytm kwantowy do szacowania echa operatora Loschmidta, wielkości śledzącej rozprzestrzenianie się informacji w takich układach, i uruchomił go na 56 kubitach.
Obciążenie zostało po raz pierwszy opublikowane w Quantum Advantage Tracker osiem miesięcy temu, a IBM i Algorithmiq twierdzą, że od tamtej pory żadna metoda klasyczna nie dała wiarygodnych wyników w pełnym zakresie problemu. Metody co najmniej trzech wiodących grup zajmujących się symulacjami klasycznymi dały prognozy, które były sprzeczne ze sobą nawzajem oraz z wynikiem kwantowym. Zamiast polegać na niedostępnej, dokładnej odpowiedzi, zespół zastosował kontrolowane wstrzykiwanie szumu, zmodyfikowane kalibracje bramek oraz modelowanie szumu urządzenia, a następnie przeprowadził obliczenia na pięciu komputerach kwantowych o różnych profilach szumu, co IBM określa jako w zasadzie pięć komputerów kwantowych, testując, czy wynik kwantowy pozostawał stabilny wraz ze zmianą warunków szumu.
Firma Algorithmiq wydała również monoprop , pakiet testowy oparty na klasycznych metodach symulacji stanu podstawowego cząsteczek. Oprogramowanie ma umożliwić zewnętrznym badaczom testowanie przyszłych twierdzeń o przewadze w dziedzinie kwantowej w porównaniu z dostępnymi technikami klasycznymi.
„Współpraca z IBM pozwoliła zrealizować pomysł, który Richard Feynman po raz pierwszy zaproponował w 1982 roku” – powiedział Matteo Rossi, współzałożyciel i dyrektor techniczny firmy Algorithmiq. „Symulując materię kwantową za pomocą cyfrowego procesora kwantowego zbudowanego w oparciu o tę samą fizykę, jesteśmy w stanie dostarczyć badaczom dostrajalny, fizycznie interesujący model, otwarty dla każdego, kto chce spróbować obalić go metodą klasyczną. To wymagający przypadek testowy, który wytrzymuje otwarte wyzwanie od ośmiu miesięcy i wciąż się rozwija”.
Firmy Qedma, IBM, RIKEN i BlueQubit poinformowały o trzecim badaniu wykorzystującym oprogramowanie Qedma Quantum Error Suppression and Error Mitigation (QESEM) na sprzęcie IBM Quantum Heron do modelowania długotrwałej dynamiki kwantowej w dwuwymiarowym układzie Floqueta-Isinga, którego fizycy używają do badania ewolucji właściwości magnetycznych materiału pod wpływem rytmicznego oddziaływania zewnętrznego. Qedma twierdzi, że jest to pierwszy przypadek osiągnięcia przewagi kwantowej przy użyciu komercyjnie dostępnego sprzętu i oprogramowania, a zarówno system Heron, jak i QESEM są dostępne w chmurze. Firmy wskazują na zastosowania w ultraszybkiej optoelektronice i nadprzewodnikach indukowanych światłem.
IBM Quantum 133 Qubit HERON
Zespół przedstawił symulacje obejmujące do 74 kubitów. Porównano wyniki obliczeń kwantowych z kilkoma metodami klasycznymi, w tym z obliczeniami na superkomputerze Fugaku firmy RIKEN oraz symulacjami z BlueQubit. W największej testowanej skali, podejścia klasyczne nie były konsekwentnie zgodne, podczas gdy wyniki obliczeń kwantowych z redukcją błędów wykazały stałe zachowanie oscylacyjne.
Proces walidacji Qedmy polegał najpierw na porównaniu obiektywnej metody łagodzenia błędów z obliczeniami klasycznymi, w których te ostatnie pozostały wiarygodne. Następnie naukowcy porównali bardziej skalowalną metodę łagodzenia błędów z walidowanymi wynikami, po czym przeskalowali obciążenie do większych systemów i dłuższych czasów wykonania. W badaniu oceniono również zachowanie na oddzielnym sprzęcie kwantowym, w tym na systemach Quantinuum z uwięzionymi jonami, aby pomóc odróżnić symulowaną fizykę od artefaktów specyficznych dla danego urządzenia.
Łącznie, te trzy badania wysuwają dyskusję na temat przewagi kwantowej poza same porównania w czasie wykonania. Koncentrują się one na powtarzalności, charakterystyce błędów, walidacji międzyplatformowej i otwartych testach porównawczych – wszystkie te elementy będą niezbędne, zanim systemy kwantowe będą mogły być traktowane jako niezawodne instrumenty do obliczeń naukowych, które przekraczają klasyczne ograniczenia symulacji.
Amazon