Стремление к так называемому квантовому превосходству – моменту, когда квантовый компьютер сможет решать задачи, непосильные для самых мощных классических компьютеров, – является одной из главных целей современной науки. Для демонстрации этого превосходства часто используют задачу квантовой случайной выборки. Суть ее заключается в генерации случайных чисел из определенного вероятностного распределения, что теоретически легко для квантовых компьютеров, но крайне сложно для классических систем.
Однако, подтверждение эффективности квантовой случайной выборки оказалось непростой задачей. Традиционные методы верификации, применяемые для классических компьютеров, либо требуют огромных вычислительных ресурсов, становясь бесполезными для больших квантовых систем, либо попросту неприменимы к квантовой природе процесса.
В ответ на эту проблему группа исследователей из Университета Инсбрука, Свободного университета Берлина и ряда других научных учреждений разработала новый протокол верификации, основанный на модели квантовых вычислений, управляемых измерениями (MBQC). Результаты их работы, возглавляемой Йенсом Айзертом, Томасом Монцем и Мартином Рингбауэром, были опубликованы в журнале Nature Communications.
Этот протокол предлагает новый подход к проверке корректности работы квантовых систем, выполняющих случайную выборку. Вместо того, чтобы пытаться классически воспроизвести или имитировать квантовый процесс, новый метод фокусируется на анализе результатов измерений, проводимых непосредственно на квантовом процессоре.
Экспериментальная демонстрация протокола была проведена на квантовом процессоре на основе захваченных ионов, разработанном в Инсбруке под руководством Томаса Монца и Мартина Рингбауэра. Ученые использовали этот процессор для реализации простых схем квантовой случайной выборки, применяя элементарные квантовые цепи и локальные измерения.
В ходе эксперимента исследователи подготовили 4х4 кластерное состояние, состоящее из 16 кубитов, которое является ключевым элементом для квантовых вычислений, управляемых измерениями. Важно отметить, что в своей работе ученые использовали технологию повторного использования ионов в ловушке, что является значительным технологическим достижением.
Для верификации корректности подготовки кластерного состояния и процесса случайной выборки, исследователи применили метод оценки точности состояния (state fidelity estimation) и сравнили полученные результаты с кросс-энтропийным бенчмаркингом. Это позволило им убедиться, что сгенерированные квантовым процессором выборки очень близки к теоретически предсказанным значениям, демонстрируя высокую точность работы системы.
Одним из ключевых преимуществ разработанного протокола является его вычислительная эффективность. Верификация с его помощью требует значительно меньше ресурсов, чем предыдущие методы, что делает его применимым для более крупных и сложных квантовых компьютеров. Протокол полагается на определенную степень доверия к аппаратуре квантовых измерений, но при этом эффективно проверяет корректность квантового вычисления.
Данное исследование имеет важное значение для понимания границ возможностей классических вычислительных систем и определения момента возникновения алгоритмического квантового превосходства. Новый протокол способствует не только разработке более мощных квантовых компьютеров, но и углубленному пониманию фундаментальных различий между классическими и квантовыми вычислениями.
По словам Йенса Айзерта, работа имеет два ключевых достижения: технологическое, заключающееся в использовании платформы захваченных ионов с многократным использованием отдельных ионов, и концептуальное, предлагающее эффективный способ верификации экспериментов по случайной выборке даже в отсутствие эффективных классических методов.
Разработанный протокол может быть использован другими научными группами для тестирования собственных квантовых вычислительных систем на задачах случайной выборки. Это важный шаг на пути к созданию более совершенных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных платформ. Работа подчеркивает необходимость тесного сотрудничества между теоретиками и экспериментаторами для достижения прогресса в области квантовых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Однако, подтверждение эффективности квантовой случайной выборки оказалось непростой задачей. Традиционные методы верификации, применяемые для классических компьютеров, либо требуют огромных вычислительных ресурсов, становясь бесполезными для больших квантовых систем, либо попросту неприменимы к квантовой природе процесса.
В ответ на эту проблему группа исследователей из Университета Инсбрука, Свободного университета Берлина и ряда других научных учреждений разработала новый протокол верификации, основанный на модели квантовых вычислений, управляемых измерениями (MBQC). Результаты их работы, возглавляемой Йенсом Айзертом, Томасом Монцем и Мартином Рингбауэром, были опубликованы в журнале Nature Communications.
Этот протокол предлагает новый подход к проверке корректности работы квантовых систем, выполняющих случайную выборку. Вместо того, чтобы пытаться классически воспроизвести или имитировать квантовый процесс, новый метод фокусируется на анализе результатов измерений, проводимых непосредственно на квантовом процессоре.
Экспериментальная демонстрация протокола была проведена на квантовом процессоре на основе захваченных ионов, разработанном в Инсбруке под руководством Томаса Монца и Мартина Рингбауэра. Ученые использовали этот процессор для реализации простых схем квантовой случайной выборки, применяя элементарные квантовые цепи и локальные измерения.
В ходе эксперимента исследователи подготовили 4х4 кластерное состояние, состоящее из 16 кубитов, которое является ключевым элементом для квантовых вычислений, управляемых измерениями. Важно отметить, что в своей работе ученые использовали технологию повторного использования ионов в ловушке, что является значительным технологическим достижением.
Для верификации корректности подготовки кластерного состояния и процесса случайной выборки, исследователи применили метод оценки точности состояния (state fidelity estimation) и сравнили полученные результаты с кросс-энтропийным бенчмаркингом. Это позволило им убедиться, что сгенерированные квантовым процессором выборки очень близки к теоретически предсказанным значениям, демонстрируя высокую точность работы системы.
Одним из ключевых преимуществ разработанного протокола является его вычислительная эффективность. Верификация с его помощью требует значительно меньше ресурсов, чем предыдущие методы, что делает его применимым для более крупных и сложных квантовых компьютеров. Протокол полагается на определенную степень доверия к аппаратуре квантовых измерений, но при этом эффективно проверяет корректность квантового вычисления.
Данное исследование имеет важное значение для понимания границ возможностей классических вычислительных систем и определения момента возникновения алгоритмического квантового превосходства. Новый протокол способствует не только разработке более мощных квантовых компьютеров, но и углубленному пониманию фундаментальных различий между классическими и квантовыми вычислениями.
По словам Йенса Айзерта, работа имеет два ключевых достижения: технологическое, заключающееся в использовании платформы захваченных ионов с многократным использованием отдельных ионов, и концептуальное, предлагающее эффективный способ верификации экспериментов по случайной выборке даже в отсутствие эффективных классических методов.
Разработанный протокол может быть использован другими научными группами для тестирования собственных квантовых вычислительных систем на задачах случайной выборки. Это важный шаг на пути к созданию более совершенных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислительных платформ. Работа подчеркивает необходимость тесного сотрудничества между теоретиками и экспериментаторами для достижения прогресса в области квантовых технологий.
