Автор: Денис Аветисян
Исследователи продемонстрировали превосходство квантового компьютера над классическими системами в задачах случайной квантовой выборки, открывая эру облачных квантовых сервисов.
В статье представлены результаты экспериментов с 74-кубитным сверхпроводящим квантовым компьютером Tianyan-287 и облачной платформой, использующей процессор Zuchongzhi и SDK Cqlib.
Несмотря на значительный прогресс в области квантовых вычислений, демонстрация реального квантового превосходства остается сложной задачей. В статье ‘Tianyan: Cloud services with quantum advantage’ представлена облачная платформа, использующая сверхпроводящий квантовый процессор, способный демонстрировать преимущества перед классическими вычислениями. Платформа Tianyan-287, состоящая из 105 кубитов, выполнила задачу случайной схемы выборки на 74 кубитах за 18.4 минуты, в то время как классическим суперкомпьютерам потребовалось бы около 16 000 лет. Открывает ли это новую эру в доступности высокопроизводительных квантовых вычислений и какие практические задачи можно будет решать с помощью подобных облачных сервисов?
Квантовые вычисления: от теории к реальности
Квантовые вычисления, несмотря на обещание экспоненциального ускорения в решении определенных задач, сталкиваются с серьезными трудностями на пути к реализации этого потенциала. Теоретические алгоритмы, такие как алгоритм Шора для факторизации чисел или алгоритм Гровера для поиска в несортированной базе данных, демонстрируют значительное превосходство над классическими аналогами, однако их практическое применение ограничено. Основная проблема заключается в хрупкости квантовых состояний — кубиты крайне чувствительны к воздействию окружающей среды, что приводит к декогеренции и ошибкам в вычислениях. Для создания надежных квантовых компьютеров необходима разработка эффективных методов коррекции ошибок и масштабирование систем до большого количества стабильных кубитов, что представляет собой сложную инженерную и физическую задачу. Кроме того, создание и поддержание необходимых сверхнизких температур и изоляции от внешних помех также является существенным препятствием для развития этой технологии.
В настоящее время квантовые вычисления переживают период, известный как NISQ — эпоху шумящих, промежуточных по масштабу квантовых устройств. Этот этап характеризуется ограниченным количеством кубитов и высокой восприимчивостью к ошибкам, что существенно ограничивает сложность алгоритмов, которые могут быть эффективно реализованы. В отличие от гипотетических, отказоустойчивых квантовых компьютеров будущего, NISQ-устройства подвержены декогеренции и другим источникам шума, требующим разработки специальных методов смягчения ошибок и алгоритмов, устойчивых к этим помехам. Несмотря на эти ограничения, период NISQ является важным шагом на пути к созданию полномасштабных квантовых компьютеров, позволяя исследователям экспериментировать с реальным квантовым оборудованием и разрабатывать новые алгоритмы, адаптированные к текущим технологическим возможностям. Исследования в эту эпоху фокусируются на задачах, которые могут быть решены с использованием относительно небольшого числа кубитов и при этом демонстрируют потенциальное преимущество перед классическими алгоритмами, например, в области квантовой химии и оптимизации.
Ограниченный доступ к квантовому оборудованию представляет собой существенное препятствие для развития квантовых вычислений, однако облачные платформы играют ключевую роль в преодолении этой проблемы. Они позволяют исследователям и разработчикам по всему миру получать доступ к передовым квантовым процессорам, не требуя значительных инвестиций в физическую инфраструктуру. Благодаря облачным сервисам, таким как те, что предоставляются IBM, Google и Amazon, становится возможным проводить эксперименты, тестировать алгоритмы и разрабатывать новые приложения для квантовых вычислений, что значительно ускоряет прогресс в этой области. Это демократизирует процесс исследований и разработок, позволяя большему числу специалистов внести свой вклад в развитие квантовых технологий и раскрыть потенциал $Q$-битовых систем для решения сложных задач, недоступных классическим компьютерам.
От Tianyan-176 к Tianyan-504: эволюция квантовых систем
Платформа квантовых вычислений Tianyan последовательно увеличивала количество кубитов, переходя от системы Tianyan-176 к более мощной Tianyan-504. Tianyan-176 представляла собой систему с 176 кубитами, в то время как Tianyan-504 значительно превосходит ее по вычислительным возможностям, хотя точное количество кубитов в Tianyan-504 официально не разглашается. Данная эволюция демонстрирует прогресс в разработке и масштабировании сверхпроводящих квантовых систем, что является ключевым этапом на пути к созданию практически полезных квантовых компьютеров. Увеличение числа кубитов напрямую влияет на сложность решаемых задач и потенциальную точность вычислений.
Постепенное увеличение количества кубитов на платформе Tianyan Quantum Cloud, от Tianyan-176 до Tianyan-504, подтверждает возможность масштабирования сверхпроводящих квантовых систем. Это имеет решающее значение для развития практических квантовых вычислений, поскольку увеличение числа кубитов напрямую связано с ростом вычислительной мощности и способностью решать более сложные задачи. Масштабирование включает в себя не только физическое добавление кубитов, но и обеспечение их стабильной работы, высокой связности и точного управления, что является сложной инженерной задачей. Успешная реализация масштабирования демонстрирует прогресс в области квантовых технологий и приближает возможность создания квантовых компьютеров, способных превзойти классические аналоги в определенных задачах.
Система Tianyan-287, использующая процессор, аналогичный Zuchongzhi 3.0, представляет собой важный этап в интеграции и управлении кубитами. Данная система позволила провести эксперимент по случайной выборке цепей, включающий 74 кубита. Это демонстрирует значительный прогресс в управлении большим количеством кубитов и подтверждает возможность проведения сложных квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитов. Эксперимент по случайной выборке цепей является важной проверкой работоспособности и точности квантового процессора, а также позволяет оценить его производительность и надежность.
Прецизионный контроль и точность квантовых гейтов: основа надежных вычислений
Эффективность квантовых алгоритмов напрямую зависит от точности выполнения одно- и двухкубитных логических операций. Ошибки в этих операциях накапливаются по мере выполнения алгоритма, приводя к неверным результатам вычислений. Даже небольшое снижение точности, например, из-за несовершенства управляющих импульсов или шумов в системе, может существенно повлиять на достоверность полученных данных. Поэтому, повышение точности одно- и двухкубитных гейтов является ключевой задачей при разработке и реализации квантовых алгоритмов, определяющей их масштабируемость и практическую ценность. Например, вероятность успешного выполнения сложного квантового алгоритма экспоненциально снижается с увеличением числа кубитов при сохранении неизменного уровня ошибок в гейтах.
Высокая точность считывания (readout fidelity) является критически важным параметром для корректной интерпретации результатов квантовых вычислений. Неточности при определении состояния кубитов после выполнения операций приводят к ошибкам в итоговых данных и снижают достоверность алгоритма. Для обеспечения надежных результатов квантовых вычислений необходимо минимизировать вероятность неправильного определения состояния кубита; в системе Tianyan-287 достигнута точность считывания в 98.7% с ошибкой считывания 1.3%, что позволяет значительно повысить надежность получаемых результатов и снизить влияние ошибок на общую производительность вычислений.
Система Tianyan-287 демонстрирует высокую точность управления кубитами, достигая достоверности однокубитных гейтов 99.9%, двухкубитных гейтов — 99.56%, а также достоверности считывания — 98.7%. При этом, вероятность ошибки Паули для однокубитных гейтов составляет 1‰, для двухкубитных — 4.4‰, а для считывания — 1.3%. Данные показатели характеризуют уровень контроля над кубитами и минимизацию ошибок в процессе квантовых вычислений.
Cqlib: расширяя возможности разработки квантовых алгоритмов
Разработка и выполнение квантовых алгоритмов представляет собой сложную задачу, требующую специализированных программных инструментов. Это обусловлено принципиальными отличиями квантовых вычислений от классических, включая необходимость управления кубитами, учета квантовой суперпозиции и запутанности, а также борьбу с декогеренцией. Для эффективной работы с этими сложностями требуются не только глубокие знания квантовой механики, но и инструменты, позволяющие абстрагироваться от низкоуровневых деталей реализации. Именно поэтому создание специализированных SDK, таких как Cqlib, играет ключевую роль в продвижении квантовых вычислений, предоставляя разработчикам удобный интерфейс и необходимые функции для проектирования, отладки и запуска квантовых программ без необходимости глубокого погружения в аппаратные аспекты.
Разработка и реализация квантовых алгоритмов традиционно сопряжена со значительными трудностями, требующими специализированных инструментов и глубоких знаний. Для упрощения этого процесса была создана Cqlib — открытая программная платформа (SDK), разработанная для облачной квантовой платформы Tianyan. Этот инструмент предоставляет пользователям удобный интерфейс и широкий спектр функций, позволяя значительно сократить время и усилия, необходимые для создания и запуска квантовых программ. Cqlib эффективно демократизирует доступ к квантовому программированию, делая его более доступным для широкого круга исследователей и разработчиков, даже без глубокой экспертизы в области квантовых вычислений.
Разработка и выполнение квантовых алгоритмов традиционно сопряжены со значительными трудностями, однако Cqlib, благодаря своему интуитивно понятному интерфейсу и широкому набору функций, существенно упрощает этот процесс, делая квантовое программирование доступным для более широкого круга исследователей. В частности, платформа позволила реализовать эксперимент по выборочному тестированию случайной квантовой цепи, состоящей из 74 кубитов и 24 циклов. По оценкам специалистов, выполнение аналогичного расчета на самых мощных современных суперкомпьютерах заняло бы приблизительно $1.6 \times 10^4$ лет, что демонстрирует колоссальный потенциал Cqlib для ускорения квантовых вычислений и продвижения исследований в этой перспективной области.
Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует превосходство квантовых вычислений над классическими в задачах выборки случайных квантовых схем. Этот прогресс, достигнутый на платформе Tianyan-287 с 74 кубитами, подчеркивает не только техническую сложность реализации, но и фундаментальную природу систем, стремящихся к совершенству. Как говорил Джон Белл: «Все системы стареют — вопрос лишь в том, делают ли они достойно». Подобно тому, как квантовые системы неизбежно сталкиваются с декогеренцией, любая вычислительная архитектура подвержена влиянию времени и технологического прогресса. Достижение квантового превосходства, зафиксированное в этой работе, является не конечной точкой, а свидетельством способности системы достойно стареть, адаптироваться и демонстрировать свою ценность в постоянно меняющейся среде.
Что дальше?
Представленные результаты, демонстрирующие превосходство квантовых вычислений в задачах случайной выборки цепей, кажутся закономерным шагом. Однако, сама концепция «превосходства» — временное удобство, метрика, определяемая текущим состоянием классических алгоритмов и вычислительных ресурсов. Задачей не является достижение абсолютного превосходства, а создание систем, способных адаптироваться к меняющемуся ландшафту вычислений.
Ограничения, связанные с масштабируемостью и когерентностью кубитов, остаются фундаментальными. Разработка более устойчивых кубитов и методов коррекции ошибок — не просто техническая задача, а необходимость, продиктованная временем. Интересно наблюдать, как архитектура процессора Zuchongzhi и SDK Cqlib будут эволюционировать, стремясь к большей гибкости и простоте использования. Любая абстракция несет груз прошлого, и упрощение интерфейса — это признак зрелости, а не прогресса.
В конечном итоге, истинная ценность квантовых вычислений будет определяться не скоростью решения отдельных задач, а способностью решать проблемы, которые принципиально недоступны классическим компьютерам. Медленные изменения сохраняют устойчивость, и долгосрочная стратегия развития квантовых технологий должна быть ориентирована на постепенное, но надежное наращивание вычислительной мощности и функциональности, а не на погоню за мгновенным «превосходством».
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.10504.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Смотрите также:
- LLM: математика — предел возможностей.
- Взгляд в будущее видео: ускорение генерации с помощью LiteAttention
- Квантовый прыжок в будущее: юмористический взгляд на недавние квантовые приключения!
- Уменьшение глубины квантовых схем: новый путь к устойчивым алгоритмам
- Видео-R4: Размышляя над видео, чтобы лучше понимать текст
- Квантовые схемы без лишних шагов: обучение с подкреплением для оптимизации вычислений
- Квантовый горизонт: Облачные вычисления нового поколения
- Восполняя пробелы в знаниях: Как языковые модели учатся делать выводы
- Вариационные и полувариационные неравенства: от теории к практике
- Точность фазовой оценки: адаптивный подход превосходит стандартный
2025-12-13 13:20