Если квантовые вычисления отвечают на неразрешимые вопросы, то как понять, что ответы верные?

Новое исследование посвящено разрешению этого парадокса. Статья опубликована в журнале Quantum Science and Technology.

Существует ряд задач, которые не сможет решить даже самый быстрый в мире суперкомпьютер, если только мы не готовы ждать ответа миллионы или даже миллиарды лет. Поэтому для проверки квантовых компьютеров необходимы методы, позволяющие сравнивать теорию и результат, а не ждать годами, пока суперкомпьютер выполнит ту же задачу.

Команда исследователей разработала методы проверки выходных данных квантового компьютера особого типа, называемого гауссовым бозонным сэмплингом (GBS). Этот квантовый компьютер использует фотоны, частицы света, для вычисления вероятностей, для которых на самом быстром в мире суперкомпьютере потребовались бы тысячи лет.

Теоретический и экспериментальный интерес к фотонным сетям, используемым в качестве квантовых компьютеров, значительно вырос. Эти устройства интерферируют фотоны из неклассических состояний в крупномасштабной интерферометрической сети, а затем измеряют полученные выходные фотоны с помощью фотодетекторов, так что выходные выборки представляют собой серию шаблонов подсчета фотонов.

Всего за несколько минут на ноутбуке разработанные методы позволяют определить, дает ли эксперимент GBS правильный ответ и какие ошибки, если таковые имеются, присутствуют.

Чтобы продемонстрировать эффективность метода, команда проверила при помощи GBS недавний эксперимент, воспроизведение которого с использованием существующих суперкомпьютеров заняло бы не менее 9000 лет. Они обнаружили, что распределение вероятностей GBS не соответствовало тому, что нужно было воспроизвести, при этом в эксперименте присутствовал дополнительный шум, который не был проанализирован.

Теперь ученым предстоит выяснить, является ли воспроизведение альтернативного распределения сложной вычислительной задачей или эти ошибки привели к тому, что квантовый компьютер утратил свою «квантовость». Ответ на этот вопрос откроет путь к созданию квантовых компьютеров, работающих без ошибок и доступных на коммерческом уровне.

Разработка крупномасштабных квантовых компьютеров, которые не совершают ошибок — это сложнейшая задача, решение которой произведет революцию в таких областях, как разработка лекарств, искусственный интеллект, кибербезопасность, и позволит углубить наше понимание физической вселенной.

Важнейшим компонентом этой задачи являются масштабируемые методы проверки квантовых компьютеров, которые расширяют наше понимание того, какие ошибки влияют на эти системы и как их исправить, гарантируя сохранение их «квантовости».