IBM и три исследовательских партнера — Чикагский университет, Algorithmiq и Qedma — опубликовали отдельные исследования в области квантовых вычислений, посвященные общему препятствию для заявлений о преимуществах квантовых технологий: установлению уверенности в результатах, которые классические системы не могут воспроизвести напрямую.
Работа охватывает закодированные логические схемы, моделирование квантовых материалов и физику многих тел с минимизацией ошибок. В каждом случае для выполнения задач, которые, по сообщениям участвующих групп, превосходили практические возможности ведущих классических методов моделирования, использовались процессоры IBM Quantum Heron. Результаты исследований и лежащие в их основе данные были опубликованы в рамках проекта IBM Quantum Advantage Tracker для дальнейшего сравнительного анализа.
В сотрудничестве с Чикагским университетом была продемонстрирована структурированная альтернатива случайной выборке схем — распространенному критерию оценки квантовых преимуществ, который становится трудно проверить по мере увеличения сложности схемы. Этот метод, который IBM называет легированной выборкой Клиффорда, встраивает схему Клиффорда в пространственно-временной код, а затем стратегически добавляет не-Клиффордовские Т-вентили, что делает вычисления классически сложными, сохраняя при этом проверки синдрома, необходимые для обнаружения ошибок в процессе выполнения. Статья называется «Выборка сложных схем с проверяемой высокой точностью».
В ходе эксперимента было выполнено 70 логических кубитов, проведено 2,415 логических операций с двумя кубитами и 468 логических Т-вентилей, оба показателя являются мерами сложности схемы. IBM и университет сообщают об эффективной частоте логических ошибок, примерно в десять раз меньшей, чем базовая частота физических ошибок, что и позволило достичь высокой точности схемы при таком количестве вентилей. Квантовые вычисления завершились примерно за 15 минут, в то время как исследователи заявили, что ведущие классические подходы к моделированию сталкиваются с непомерно большим временем выполнения. IBM описывает это как одну из крупнейших в мире известных демонстраций коррекции ошибок, и результат важен, поскольку он сочетает в себе рабочую нагрузку, выходящую за рамки классической, со статистическим нижним пределом точности выполнения.
«Мы прочно вступили в эру квантового преимущества», — заявил Джей Гамбетта, директор IBM Research и научный сотрудник IBM. «Мы продемонстрировали квантовые вычисления, выходящие за пределы практических возможностей классических компьютеров, которые со статистической достоверностью устанавливают нижнюю границу точности их выполнения. Эта веха дает ученым, разработчикам и предприятиям новую основу для доверия к квантовым компьютерам по мере их масштабирования для решения задач, выходящих далеко за рамки того, чего мы можем достичь классическим способом».
В исследовании компании Algorithmiq использовался процессор IBM Quantum Heron для моделирования гетерогенного квантового материала — модели, созданной для представления систем с нерегулярными локальными свойствами, интерфейсами и настраиваемыми микроскопическими связями. Эти эффекты важны для таких материалов, как катализаторы и электролиты батарей, где локальный беспорядок изменяет движение энергии, частиц и информации. Команда разработала квантовый алгоритм для оценки оператора эха Лошмидта — величины, отслеживающей распространение информации в таких системах, — и запустила его на 56 кубитах.
Результаты работы были впервые опубликованы в Quantum Advantage Tracker восемь месяцев назад, и, по словам IBM и Algorithmiq, ни один классический метод с тех пор не смог надежно воспроизвести результаты во всем диапазоне рассматриваемых задач. Методы как минимум трех ведущих групп, занимающихся классическим моделированием, давали результаты, противоречащие друг другу и квантовому результату. Вместо того чтобы полагаться на недоступный точный ответ, команда применила контролируемое введение шума, модифицированную калибровку вентилей и моделирование шума устройства, и выполнила расчеты на пяти, как описывает IBM, квантовых компьютерах с различными профилями шума, проверяя, остается ли квантовый результат стабильным при изменении условий шума.
Компания Algorithmiq также выпустила monoprop , пакет для тестирования производительности, основанный на классических методах моделирования основного состояния молекул. Это программное обеспечение предназначено для того, чтобы сторонние исследователи могли проверять будущие заявления о преимуществах квантовых технологий в сравнении с доступными классическими методами.
«Это сотрудничество с IBM позволило реализовать идею, впервые предложенную Ричардом Фейнманом в 1982 году, — сказал Маттео Росси, соучредитель и технический директор Algorithmiq. — Моделируя квантовую материю с помощью цифрового квантового процессора, построенного на основе тех же физических принципов, мы можем предоставить исследователям настраиваемую, физически интересную модель, доступную любому, кто хочет попытаться опровергнуть ее классическими методами. Это сложный тестовый пример, и он выдерживает открытые критики уже восемь месяцев и продолжает оставаться актуальным».
Компании Qedma, IBM, RIKEN и BlueQubit сообщили о третьем исследовании, в котором программное обеспечение Qedma для подавления и смягчения квантовых ошибок (QESEM) использовалось на оборудовании IBM Quantum Heron для моделирования долгоживущей квантовой динамики в двумерной системе Флоке-Изинга, которую физики используют для изучения эволюции магнитных свойств материала под воздействием ритмичного внешнего воздействия. Qedma утверждает, что это первый случай достижения квантового преимущества с использованием коммерчески доступного оборудования и программного обеспечения, при этом система Heron и QESEM доступны в облаке. Компании указывают на возможности применения в сверхбыстрой оптоэлектронике и светоиндуцированных сверхпроводниках.
IBM Quantum 133 Qubit HERON
Команда представила результаты моделирования с участием до 74 кубитов. Она сравнила квантовые результаты с несколькими классическими методами, включая расчеты на суперкомпьютере Fugaku в RIKEN и моделирование с помощью BlueQubit. На самом большом из протестированных масштабов классические подходы не всегда совпадали, в то время как квантовые результаты с уменьшенной погрешностью демонстрировали устойчивое осцилляционное поведение.
В процессе валидации Qedma сначала сравнивали непредвзятый метод уменьшения ошибок с классическими вычислениями, при этом последние оставались надежными. Затем исследователи сравнили более масштабируемый метод уменьшения ошибок с подтвержденными результатами, прежде чем увеличить рабочую нагрузку до более крупных систем и увеличить время выполнения. В исследовании также оценивалось поведение на отдельном квантовом оборудовании, включая системы с захваченными ионами Quantinuum, чтобы помочь отличить моделируемую физику от артефактов, специфичных для конкретного устройства.
Взятые вместе, эти три исследования выводят обсуждение преимуществ квантовых вычислений за рамки простого сравнения времени выполнения. Они фокусируются на воспроизводимости, характеристике ошибок, кроссплатформенной проверке и открытом бенчмаркинге, которые потребуются, прежде чем квантовые системы можно будет рассматривать как надежные инструменты для научных вычислительных задач, превышающих ограничения классического моделирования.
Amazon