Три кубита вычислителя Zuchongzhi в сотни раз усложнили задачу генерации случайной строки

Квантовый вычислитель Zuchongzhi на сверхпроводниках, разработанный китайскими физиками, оказался на 2-3 порядка быстрее Sycamore компании Google. Они использовали процессор с 56 кубитами и экспериментально показали его превосходство над классическим. Препринт работы опубликован на arXiv.org.

Два года назад компания Google заявила о достижении квантового превосходства на вычислителе из 53 сверхпроводниковых кубитов, который они назвали Sycamore. Они показали, что квантовый вычислитель справляется быстрее классического с задачей генерации случайной строки — после применения известной случайной последовательности операций над начальным состоянием вычислителя измеряют полученное на выходе вероятностное распределение и сравнивают его с теоретическим. Компания IBM раскритиковала результаты эксперимента, утверждая, что классическому суперкомпьютеру потребуется в тысячи раз меньше времени, если использовать другой классический алгоритм. Позже команда ученых из Google перешла к прикладным задачам и рассчитала на Sycamore энергии основного состояния водородных цепочек и смогла описать химическую реакцию.

Команда физиков под руководством Цзянь-Вэй Паня (Jian-Wei Pan) из научно-технического университета Китая показала насколько мощнее становится квантовый вычислитель при увеличении числа кубитов с 53 до 56. Авторы использовали 56 кубитов 66-кубитного квантового вычислителя и измеряли точность применения однокубитных, двухкубитных операций и считывания кубитов. Для того чтобы оценить мощность вычислителя, авторы решали с его помощью задачу генерации случайной строки.

Квантовый процессор имеет архитектуру в виде двумерной решетки из 66 сверхпроводящих кубитов трансмонов, о которых можно подробнее узнать из нашего курса по квантовым технологиям. Каждый кубит (кроме крайних) связан с четырьмя соседними с помощью специального кубита, который регулирует степень взаимодействия. По сути, это такой же трансмон, но работающий на другой частоте — это позволяет разделить управление разными типами кубитов.

После того как физики экспериментально убедились в том, что ошибки, получаемые при реализации операций над одним или двумя кубитами не превосходят одного процента, а ошибка считывания составляет 4,5 процента, они перешли к генерации случайных квантовых последовательностей. Случайную последовательность или строку может сгенерировать случайная квантовая схема: к двумерной решетке кубитов применяют последовательно «слои» из однокубитных и двухкубитных операций. В одном цикле каждый кубит случайно подвергаются одному из трех преобразований и одному двухкубитному, которое меняется от цикла к циклу в определенной последовательности, а после всех циклов и непосредственно перед измерением нам всеми кубитами снова производят случайные однокубитные операции.

Даже небольшое число циклов позволяет получить запутанное состояние с высокой вероятностью. Тем не менее авторы использовали схему из 20 циклов на 56 кубитах и сравнивали результаты с вычислениями классического компьютера. С увеличением числа циклов симуляция задачи становится непосильной для классического компьютера, поэтому для оценки его производительности физики используют упрощенные модели схемы — они либо разделяют схему на две отдельные части и преобразуют их параллельно, либо убирают несколько двухкубитных подслоев в самом начале. Проверка на небольшом числе циклов показывает, что обе модели хорошо описывают экспериментальные данные, поэтому ученые экстраполируют зависимость точности преобразования цепи от числа циклов на большее число циклов.

Сравнение времени, необходимого для решения задачи на классическом и квантовом процессоре, позволило ученым сравнить насколько сложнее становится задача с увеличением числа кубитов. Если с задачей для 53 кубитов, классический компьютер справился за 15,9 дня, то 56-кубитная занимает у него 8,2 года.

Несмотря на то, что авторы использовали два разных алгоритма с существенно отличающимися подходами для симуляций на классическом компьютере и получили близкие оценки, они предвидят возникновение новых более эффективных алгоритмов. По их мнению, это позволит продолжить соревнование между классическими и квантовыми вычислениями и может оказаться полезным в масштабировании квантовых систем.

Простой и эффективный классический алгоритм для симуляции квантовых схем с такой же архитектурой уже предлагала и реализовывала группа китайских физиков. А их коллеги показывали, что фотонный квантовый процессор оказывается быстрее классического в решении другой задачи.

Оксана Борзенкова