IBM i Uniwersytet w Chicago pokazują quantum advantage dzięki korekcji błędów na obwodach logicznych

IBM (NYSE: IBM) i badacze z Uniwersytetu w Chicago ogłosili demonstrację w informatyce kwantowej, która spełnia podstawowe kryteria quantum advantage: wykonuje obliczenia wykraczające poza możliwości wiodących metod klasycznej symulacji, a jednocześnie daje zaufanie, że obliczenia zwróciły poprawne wyniki.

W opublikowanej pracy zatytułowanej „Sampling hard circuits with verifiably high fidelity” badacze pokazali, że oba te cele mogą być osiągnięte jednocześnie dzięki nowej konstrukcji zakodowanych obwodów kwantowych. Ma to umożliwiać jedną z największych dotychczas demonstracji logicznego przetwarzania kwantowego.

Wyniki tych eksperymentów i odpowiadające im obwody zostały również udostępnione na Quantum Advantage Tracker.

Budowanie zaufania do wyników kwantowych

Przez lata badacze sprawdzali, czy komputery kwantowe mogą przewyższać systemy klasyczne, wykorzystując benchmark znany jako random circuit sampling (RCS). W skrócie: RCS polega na tym, że komputer kwantowy ma wygenerować wzorce na tyle złożone, by komputer klasyczny nie potrafił ich efektywnie odtworzyć.

Kluczowe wyzwanie stanowi weryfikacja. Im trudniejszy staje się problem, tym trudniej jest wykazać, że odpowiedź komputera kwantowego jest poprawna, bez formułowania silnych założeń dotyczących wewnętrznego działania urządzenia.

W przeprowadzonym eksperymencie zespół IBM i Uniwersytetu w Chicago zajął się tym problemem, stosując uporządkowaną alternatywę dla RCS. Badacze pokazali, że alternatywa zachowuje te same kryteria trudności co RCS, ale co najważniejsze: jej nowa struktura może służyć do wykrywania błędów podczas trwania obliczeń.

„Weryfikacja pozostaje jednym z największych wyzwań w rzetelnym potwierdzaniu eksperymentalnego quantum advantage” — powiedział Bill Fefferman, Associate Professor na Uniwersytecie w Chicago. „To badanie rozwija techniki, które lepiej opisują wierność (fidelity) trudnych stanów kwantowych w warunkach zakłóceń, zwiększając zaufanie do tego, że komputer kwantowy rozwiązuje problem o wysokiej złożoności obliczeniowej”.

Soumik Ghosh, doktorant w grupie Feffermana na Uniwersytecie w Chicago, dodał: „Oprócz wzmacniania eksperymentalnej walidacji, postępy w weryfikacji mogą umożliwiać praktyczne zastosowania dla kolejnej generacji komputerów kwantowych”.

Korekcja błędów i bardzo wysoka wierność obliczeń

W jednym z największych na świecie pokazów korekcji błędów zespół wykonał obliczenia oparte na 70 kubitach logicznych — osłaniając je przed błędami, aby przeprowadzić 2 415 operacji logicznych dwu-kubitowych oraz 468 logicznych „T gates” (bramek T). Są to miary wykorzystywane do opisywania złożoności obwodu kwantowego.

Ponieważ obwód był zakodowany, przetwarzanie logiczne umożliwiło osiągnięcie efektywnych logicznych stóp błędów 10 razy niższych niż fizyczne stopy błędów, co pozwoliło uzyskać wyjątkowo wysoką wierność obwodu nawet przy dużej liczbie bramek.

„Jesteśmy teraz zdecydowanie w erze quantum advantage” — powiedział Jay Gambetta, Director of IBM Research i IBM Fellow. „Pokazaliśmy obliczenia wykraczające poza praktyczne możliwości klasycznych komputerów oraz — z potwierdzeniem statystycznym — dolne ograniczenie tego, jak wiernie zadanie zostało wykonane. Ten kamień milowy daje naukowcom, deweloperom i firmom nową podstawę do zaufania komputerom kwantowym w miarę ich skalowania do problemów znacznie wykraczających poza to, co jesteśmy w stanie osiągnąć klasycznie”.

Zespół pokazał, że wiele wiodących metod klasycznej symulacji napotyka na czasy obliczeń, które są zaporowe, podczas gdy komputer kwantowy IBM potrzebował około 15 minut, aby wykonać to zadanie.

Korekcja błędów oraz zaufanie do tego, że wyniki obliczeń są poprawne, są kluczowymi kamieniami milowymi w procesie skalowania informatyki kwantowej — a te prace stanowią istotny krok na ścieżce do przodu.

Kolejne demonstracje quantum advantage

Dziś, obok tego kamienia milowego IBM i Uniwersytetu w Chicago, partnerzy z całego ekosystemu IBM ogłaszają kolejne demonstracje quantum advantage z zaufanymi obliczeniami. Aby dowiedzieć się więcej, przejdź na stronę https://www.ibm.com/quantum/blog/quantum-advantage.