Google демонстрирует верифицируемое квантовое преимущество с новым алгоритмом

Исследователи Google объявили о прорыве в области квантовых вычислений, представив алгоритм Quantum Echoes для измерения корреляторов неупорядоченных во времени величин. Этот подход демонстрирует верифицируемое квантовое преимущество и открывает путь к решению практических задач, таких как изучение гамильтонианов в ядерном магнитном резонансе.

Квантовый хаос и эффект бабочки

Природа изобилует хаотическими системами, где малые возмущения приводят к кардинально разным результатам. В макроскопическом мире классическим примером служит эффект бабочки в метеорологии, когда незначительное изменение начальных условий кардинально меняет погодные паттерны. В квантовых системах хаос проявляется в динамике намагниченности атомных ядер под действием переменного магнитного поля и в поведении электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.

Моделирование квантово-хаотических систем представляет сложность для классических компьютеров из-за экспоненциального роста вычислительной стоимости. Квантовые компьютеры идеально подходят для достижения квантового преимущества в таких задачах.

От случайных цепей к практической пользе

В 2019 году Google продемонстрировала первое сверхклассическое квантовое вычисление через семплирование битовых строк из хаотического квантового состояния кубитов. Однако подход сэмплирования случайных цепей имел ограниченную практическую применимость, поскольку одна и та же битовая строка никогда не повторяется в крупной квантовой системе.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, исследователи представили алгоритм Quantum Echoes, основанный на измерении корреляторов неупорядоченных во времени величин. В отличие от битовых строк, квантовые математические ожидания (например, ток, скорость, намагниченность и плотность) являются верифицируемыми вычислительными результатами, которые остаются одинаковыми при запуске на разных квантовых компьютерах.

Это первый случай, когда квантовое преимущество демонстрируется на задаче, результаты которой можно независимо проверить. В отличие от предыдущих демонстраций, где правильность вычислений была практически непроверяемой, здесь мы видим измеримые величины, которые могут быть воспроизведены на разных системах. Это серьезный шаг от лабораторных демонстраций к практическим применениям.

Квантовые эхо и интерференционные эффекты

В экспериментах на квантовом чипе Willow 103 кубита подвергались как «прямой» (U), так и «обратной» (U†) эволюции в форме случайных квантовых цепей. Прямая эволюция преобразует систему из состояния с независимыми кубитами в высокохаотическое состояние с квантовыми корреляциями между всеми кубитами.

Ключевое открытие заключается в том, что корреляторы высших порядков демонстрируют сложные квантовые интерференционные эффекты, аналогичные традиционному интерферометру. Это явление известно как многочастичная интерференция, когда квантовые состояния многих частиц интерферируют друг с другом.

Когда выполняется резонансное условие, соответствующее тому, что эволюция U† является точной инверсией U, интерференция становится конструктивной и усиливает подмножество квантовых корреляций из всей совокупности, присутствующей в хаотическом состоянии.

Вычислительный разрыв между квантовыми и классическими процессорами

Интерференционная природа корреляторов приводит к двум важным следствиям для достижения квантового преимущества. Во-первых, прямая и обратная эволюции частично обращают эффекты хаоса и усиливают квантовый сигнал. Исследователи наблюдали характер этого усиления в сигналах корреляторов.

Величина сигнала корреляторов, характеризующаяся шириной распределения значений по ансамблю случайных цепей, масштабируется как отрицательная степенная функция времени, тогда как квантовые сигналы, измеренные без обратных эволюций, затухают экспоненциально. Медленное степенное затухание корреляторов предполагает, что измерение этих величин на квантовом компьютере значительно эффективнее классических симуляций, где стоимость растет экспоненциально со временем.

Во-вторых, многочастичная интерференция создает фундаментальные препятствия для известных классических алгоритмов. Исследователи протестировали производительность девяти релевантных классических алгоритмов симуляции через прямое внедрение и оценку стоимости.

Работа демонстрирует, что запуск алгоритма Quantum Echoes на квантовом чипе Willow уже находится в сверхклассическом режиме для набора тестовых квантовых цепей. Это открывает путь к решению реальных задач, которые невозможно решить на классических компьютерах.

По материалам Google Research.