Верно ли отвечает квантовый компьютер?

Что-то часто мне в последнее время попадаются статьи о квантовых компьютерах. Скажем за это спасибо Google и их процессору Sycamor. Не буду плыть против течения и упомяну еще одну животрепещущую проблему в квантовых вычислениях.

Как я уже писал ранее ( https://vk.com/wall-190682244_14 ), квантовый компьютер работает на кубитах, что в свою очередь используют явление квантовой суперпозиции. В результате из-за вероятностной природы квантовой механики каждое вычисление дает не один единственный ответ, а набор ответов, к каждому из которых компьютер может прийти, просто делает он это с разной вероятностью. В качестве аналогии здесь можно привести шулерский игральный кубик с одной утяжеленной гранью. Если бросать такой кубик, то одна грань будет выпадать гораздо чаще, но и остальные будут выпадать, пусть и реже. У квантовых компьютеров ситуация аналогична: для серии абсолютно одинаковых расчетов с одними и теми же вводными данными один и тот же квантовый компьютер будет давать разные ответы. И это проблема так проблема!

Очевидный способ проверки результатов вычислений на квантовом компьютере – сравнить их с ответами обычного компьютера)) Но по понятным причинам это путь в никуда. Мало того, что такая проверка возможна только для квантовых компьютеров с небольшим числом кубитов (напомню, что на сегодня это 61 кубит), так и предназначение квантового компьютера в решении проблем, которые в настоящее время не могут быть решены обычными компьютерами.

Поэтому единственная адекватная возможность проверки результатов вычислений – взаимная проверка с результатами вычислений другого квантового компьютера при том, что с большей вероятностью ответы компьютеров будут различаться, нежели совпадать.

На текущий момент общепринятый метод сравнения результатов для квантовых компьютеров заключается в расчете их квантовых состояний. Но такой расчет невозможен для компьютеров с большим числом кубитов – для оценки состояния системы с n кубитами требуется 4 в степени n измерений. Другой подход заключается в использовании параметра под называнием «верность». Этот параметр описывает взаимное перекрытие результатов вычислений двух квантовых компьютеров при одинаковых входных условиях.

В январе 2020-ого научный коллектив из Австрии предложил новый способ применения измеренной для двух компьютеров «верности» для сравнения их результатов. Для начала ученые предлагают подготовить единое начальное состояние для обоих квантовых компьютеров. Далее в обоих компьютерах применяется одна и та же случайным образом выбранная операция, после чего фиксируется состояние обоих устройств. Исследование последовательности из таким образом подготовленных и случайно выбранных операций гарантирует всеобъемлющую и корректную оценку работы устройств. Ученые проверили свой подход на 10-кубитном квантовом симуляторе и обнаружили, что он дает высокую начальную «верность» равную 0,97. К сожалению, со временем показатель «верности» системы из-за ее сложности снижается к обычному значению в 0,7.

В заключение отмечу, что эта история еще раз показывает тот гигантский ворох проблем, начиная от физической реализации кубитов и разработки методов квантового программирования до протоколов оценки работы компьютеров, с которыми сталкиваются ученые. Очень хочется, чтобы квантовый компьютер впечатлил соответственно доставленные проблемам.

На фото схема работы протокола сравнения результатов работы двух квантовых компьютеров.

Andreas Elben et al. Cross-Platform Verification of Intermediate Scale Quantum Devices, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.010504

Источник: vk.com

Комментарии: