Квантовый компьютер превзошёл классические машины в решении сложной задачи

Эксперимент и его цель

Для проверки реального преимущества квантовых вычислений исследователи создали эксперимент, основанный на задаче выборки дополнения (complement sampling). В этой задаче все возможные ответы делятся на две равные группы — A и B. Система получает случайный элемент из группы A и должна вернуть элемент, принадлежащий группе B. Для классических компьютеров задача представляет собой серьёзное испытание, поскольку они работают только с одним известным элементом и не имеют доступа к полной статистике распределения остальных вариантов. При росте размера входных данных количество возможных комбинаций экспоненциально увеличивается, и проверка результата обычными методами становится практически невозможной из‑за требований к вычислительным ресурсам.

Главная сложность валидации квантовых преимуществ заключается именно в том, что классический расчёт, необходимый для сравнения, требует ресурсов, превышающих возможности современных суперкомпьютеров. Поэтому учёные искали задачу, в которой квантовый процессор мог бы показать заметный выигрыш без необходимости полного перебора всех вариантов.

Квантовый подход

Квантовый компьютер использует свойства суперпозиции и запутанности кубитов. Каждый кубит может находиться одновременно в нескольких состояниях, что позволяет квантовому процессору обрабатывать всю группу A параллельно. Специально разработанная схема преобразует суперпозицию состояний группы A в суперпозицию состояний группы B, после чего производится измерение, фиксирующее один из элементов группы B.

В отличие от классических алгоритмов, которым требуется последовательный перебор, квантовый процессор реализует преобразование за один проход, используя квантовые логические элементы (гейты). При этом измерение происходит только в конце, что минимизирует влияние шума, характерного для текущих квантовых устройств.

Результаты тестирования

Эксперимент был проведён на ионном квантовом компьютере Quantinuum H2, где использовалось до 55 кубитов. Несмотря на наличие аппаратного шума, характерного для реальных квантовых систем, полученные результаты оказались статистически недостижимыми для любого классического ПК, даже при оптимальном использовании известных алгоритмов.

• При работе с 37‑битными строками квантовый процессор успешно выполнил задачу, демонстрируя преимущество над лучшими классическими алгоритмами, которые требуют экспоненциально большего времени.
• Тестирование включало тысячи различных схем и конфигураций, подтверждая устойчивость преимущества к изменениям параметров и уровню шума.
• Статистический анализ показал, что вероятность получения аналогичного результата на классическом компьютере составляет менее 0,1 % при тех же условиях.

Кроме того, исследователи применили методы коррекции ошибок и калибровки, что позволило снизить влияние шумовых факторов и увеличить точность измерений.

Планы на будущее

В дальнейшем команда планирует усложнить эксперимент, разделив процесс выбора и анализа ответов между двумя отдельными квантовыми компьютерами, соединёнными реальным квантовым каналом связи. Такой подход позволит исследовать масштабируемость квантовых протоколов, их устойчивость к межсетевому шуму и потенциал для распределённых вычислений.

Ожидается, что расширение схемы на более крупные системы и увеличение числа кубитов откроет новые возможности в области оптимизации, моделирования химических процессов и решения задач, недоступных для классических вычислительных платформ.

Полученные данные подтверждают практический потенциал квантовых вычислений и служат важным шагом к их широкому применению в научных и технологических проектах.