Квантові комп'ютери мають можливості, які значно перевищують можливості звичайних комп'ютерів, але перевірити це на практиці виявляється досить складно. Це пов'язано з тим, що перевірка їх результатів може вимагати обчислень, які стають надто складними для класичних машин.

Це явище називається проблемою квантової верифікації, і новий експеримент знайшов оригінальне рішення – гру, яка ставить під сумнів можливості кожного типу системи.

Але є одна важлива деталь: існує математично доведене обмеження на те, наскільки добре може працювати будь-який класичний комп'ютер.

Команда, очолювана комп'ютерними науковцями Марчелло Бенедетті та Гарі Бурманом з Quantinuum у Великій Британії, провела тест на системі квантових комп'ютерів, що використовує захоплені іони, і успішно подолала це обмеження.

Коли тест ставав складнішим, різниця між продуктивністю квантової системи та найкращою можливою продуктивністю класичної системи ставала ще більшою, згідно з їхньою статтею, опублікованою в Nature Communications.

Квантові комп'ютери отримують свої незвичайні можливості завдяки дивній фізиці, яка керує частинками на найменших масштабах.

У класичному комп'ютері біти представляють інформацію як один з двох станів – 1 або 0. Квантові біти, або кубіти, можуть існувати в суперпозиції обох станів, поки їх не виміряють. Вимірювання знищує цю суперпозицію, даючи лише один визначений результат.

Математична природа цієї суперпозиції може бути надзвичайно потужною з обчислювальної точки зору, дозволяючи квантовому комп'ютеру швидко вирішувати певні проблеми, які є надзвичайно складними для звичайного комп'ютера.

Дослідники вирішили протестувати обчислювальну потужність суперпозиції.

Вони розробили гру на основі обчислювального завдання, яке називається комплементарне вибіркове.

Ось як це працює. Уявіть, що всі можливі відповіді на проблему таємно поділені на дві рівні групи, A і B. Вам дають одну випадково вибрану відповідь з групи A і ставлять завдання повернути відповідь з групи B.

Для класичного комп'ютера це не зовсім достатньо. Він знає, що відповідь, яку отримав, належить до A, тому знає, що не повинен повертати її. Але він не знає, які з усіх інших можливих відповідей належать до A, а які – до B.

Чим більше можливих відповідей, тим менш корисною стає ця одна інформація. Насправді дослідники змогли математично довести, наскільки добре може працювати найкраща можлива класична стратегія.

Однак квантовий комп'ютер грає за зовсім іншими правилами.

Оскільки суперпозиційний кубіт може бути обома своїми станами одночасно, поки його не виміряють, квантовий комп'ютер може отримати стан, що містить весь набір A у суперпозиції, а не зменшувати відповідь до одного зразка.

І, що важливо, він може маніпулювати цією суперпозицією перед вимірюванням. Використовуючи те, що дослідники називають "своппером", квантовий комп'ютер перетворює стан, що представляє набір A, на стан, що представляє його доповнення, набір B.

Тільки після цього він вимірює стан, отримуючи відповідь з набору B. У ідеальній, безпомилковій квантовій системі ця стратегія виграє кожного разу.

Для класичного комп'ютера завдання є експоненційно складнішим. Йому потрібно виміряти вхідний стан, щоб отримати одну випадково вибрану відповідь з групи A, а потім спробувати повернути відповідь з групи B.

Це створює величезну різницю між тим, на що здатні два типи систем.

Хоча ідеальна квантова система виграє в кожному раунді, перевага, доступна навіть найкращій класичній стратегії, зменшується експоненційно з ростом кількості бітів – а отже, і кількості можливих відповідей.

І це не лише тому, що дослідники не знайшли достатньо розумного класичного алгоритму. Обмеження математично доведено, без покладання на припущення про те, наскільки складним може бути обчислення.

Це дало команді щось незвичайно цінне – тест, відповіді на який легко перевірити, але продуктивність класичної системи має жорсткий верхній поріг. Тож вони провели його на реальному квантовому комп'ютері.

Дослідники провели гру комплементарного вибору на квантових комп'ютерах H2 компанії Quantinuum, використовуючи тисячі різних схем і масштабуючи свої експерименти до 55 кубітів.

Звичайно, реальні машини не були такими досконалими, як теорія. Коли експерименти ставали більшими і вимагали більше квантових операцій, апаратний шум все більше погіршував їх продуктивність.

Але квантова система все ще постійно перевершувала класичне обмеження.

У кожному експерименті квантовий комп'ютер показував такі результати, що вони статистично не відповідали тому, що могла б досягти будь-яка класична стратегія.

Крім того, коли проблема ставала складнішою, різниця зростала. Експериментально спостережувана перевага зростала експоненційно з довжиною бітового рядка, тісно відстежуючи, якщо не зовсім відповідала, поведінці, яку очікували від оптимальної квантової стратегії.

На найбільшому масштабі, що тестувався – 37-бітних рядках – система не зовсім досягла теоретично ідеальної продуктивності, але результати все ще продемонстрували "експоненційно велике порушення класичності".

Експеримент має деякі обмеження.

"Суддя", який вибирає початкову відповідь, і "гравець", який її аналізує та дає доповнення, були реалізовані на одному й тому ж квантовому комп'ютері, з використанням квантової телепортації для імітації каналу зв'язку між ними.

Більш строгий майбутній тест помістить їх на окремі квантові комп'ютери, з'єднані справжнім квантовим комунікаційним каналом.

Але це перешкода, яку можна подолати в наступному раунді експериментів.

Поки що результат надає доказ концепції, новий спосіб тестування квантового обладнання, який легко перевірити, масштабувати, і, що важливо, не базується на неперевірених припущеннях про те, що можуть і не можуть робити класичні комп'ютери.

"Наш тест, – пишуть дослідники, – демонструє потужність квантової суперпозиції в спосіб, який не залежить від заплутаності та нелокальності".

Результати були опубліковані в Nature Communications.