Квантовые компьютеры могут ускорять вычисления, помогать создавать новые лекарства, взламывать шифры и открывать необычные материалы — но только если они действительно работают. Главная проблема — шум, ошибки, возникающие во время вычислений. Из-за них квантовые машины до недавнего времени уступали классическим.

Дэниел Лидар, профессор инженерии в Университете Южной Калифорнии, вместе с коллегами из USC и Университета Джонса Хопкинса смог доказать, что квантовый компьютер способен решать определенные задачи экспоненциально быстрее классического. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review X.

Раньше уже демонстрировали небольшое ускорение, но мы впервые показали экспоненциальное — самое мощное из возможных, — говорит Лидар.

В чем суть

Квантовый компьютер не просто делает что-то в 100 раз быстрее. Чем сложнее задача, тем больше разрыв между его производительностью и возможностями обычного компьютера. В данном случае разрыв удваивается с каждым новым параметром.

Ученые использовали модифицированный алгоритм для решения вариации «задачи Симона» — математической головоломки, где нужно найти скрытый повторяющийся шаблон. Это предшественник алгоритма Шора, который может взламывать шифры и положил начало квантовым вычислениям.

Как они этого добились

Фаттарапорн Сингканипа, ведущий автор исследования, объясняет:

Мы выжали максимум из оборудования: сократили цепи, оптимизировали импульсы и снизили уровень ошибок.

• Сжали входные данные — ограничили возможные варианты ответов, уменьшив число операций.
• Оптимизировали логические операции с помощью трансляции.
• Применили динамическое разделение — подавили шум, воздействуя на кубиты импульсами.
• Скорректировали ошибки измерений — устранили неточности в финальных расчетах.

Динамическое разделение (dynamical decoupling) — метод подавления шума в квантовых вычислениях. Кубиты взаимодействуют с окружающей средой, что вызывает ошибки. Ученые подают на них специальные импульсы, чтобы «отвязать» от внешних помех и сохранить когерентность.

Наши результаты доказывают: квантовые компьютеры уже вышли на уровень, недостижимый для классических, — говорит Лидар. — Экспоненциальное ускорение теперь не теория, а факт.

Что дальше

Пока это лишь победа в «математической игре». Чтобы решать реальные задачи, нужно избавиться от оракулов (которые заранее знают ответ) и еще сильнее снизить уровень шума. Но первый шаг к практическому превосходству сделан.

Хотя задача Симона сама по себе не имеет практического применения, успех эксперимента подтверждает: квантовые компьютеры способны на экспоненциальное ускорение. Это важно для:

• Криптографии — алгоритм Шора (развитие задачи Симона) взламывает RSA-шифрование.
• Моделирования молекул — ускорение расчетов поможет в разработке лекарств.
• Оптимизации — например, в логистике или машинном обучении.

Пока это фундаментальная наука, но она закладывает основу для будущих прорывов.

Отметим, что исследование опирается на «оракула» — искусственную задачу, где ответ известен заранее. В реальном мире таких подсказок нет. Кроме того, эксперимент проводился на 127-кубитных процессорах IBM, которые все еще сильно шумят. Без дальнейшего подавления ошибок масштабирование будет затруднено.

Ранее ученые добились длительной квантовой запутанности между молекулами.