Ключевая цифра — 70 логических кубитов. В отличие от физических кубитов, логический кубит — это информация, распределенная по нескольким физическим кубитам так, чтобы исправлять часть ошибок и шумов. В эксперименте на этих 70 логических кубитах выполнили 2415 логических двухкубитных операций и 468 так называемых T-вентилей — это сложные элементы схемы, необходимые для «по-настоящему» квантовых вычислений. При этом эффективная частота ошибок у логических кубитов оказалась в 10 раз ниже, чем у исходных физических, что позволило сохранить необычно высокую точность выполнения схемы при большом числе шагов.
Сам по себе «быстрый» квантовый расчет еще не доказывает превосходство над классическим. Главная проблема последних лет в квантовых демонстрациях заключалась в другом: как убедиться, что машина действительно выдала правильный ответ, если этот же расчет на обычном компьютере неосуществим? Классический тест — так называемый random circuit sampling, когда квантовый процессор генерирует очень сложные случайные выходные распределения, — как раз упирается в эту стену: симулировать такой процесс трудно, а значит, трудно и проверить квантовый результат.
Специалисты IBM и Чикагского университета предложили более структурный вариант задачи, который, с одной стороны, сохраняет «вычислительную трудность» для классических алгоритмов, а с другой — допускает встроенную проверку ошибок по ходу квантового вычисления. Проще говоря, схема остается настолько сложной, что лидирующие классические методы требуют огромных затрат времени, но ее внутренняя организация дает ученым возможность оценивать, насколько верно она была выполнена на квантовом устройстве.
По оценкам авторов, передовые классические методы моделирования столкнулись бы с практически непреодолимыми затратами времени при попытке решить ту же задачу. Квантовый процессор IBM справился примерно за 15 минут. «Мы уже точно находимся в эпоху квантового преимущества, — заявил директор IBM Research Джей Гамбетта. — Мы показали квантовое вычисление, которое находится за пределами практической досягаемости классических компьютеров, и при этом статистически обосновали нижнюю границу его точности».
Отдельное значение у работы и с теоретической точки зрения. Проверяемость квантовых результатов — одно из главных препятствий на пути к достоверному квантовому преимуществу. «Верификация остается одной из крупнейших проблем, — подчеркивает профессор Чикагского университета Билл Фефферман. — Этот эксперимент развивает методы, позволяющие лучше характеризовать достоверность сложных квантовых состояний в условиях шума».
Для того чтобы квантовые компьютеры перешли от демонстраций к реальным задачам — от оптимизации логистики до моделирования сложных материалов и лекарств, — им нужны и высокие масштабы, и механизмы доверия. Результаты новой работы наглядно показали, что двигаться в обоих направлениях одновременно уже возможно.
Ранее IBM разработала «квантовый холодильник»: в нем в 180 раз холоднее, чем в открытом космосе.