Квантовый компьютер Quantinuum побил рекорд Google в 100 раз

56-кубитный квантовый компьютер H2-1 компании Quantinuum побил рекорд, превзойдя квантовый компьютер Sycamore компании Google в 100 раз. Оценивая его производительность с помощью линейного эталона перекрестной энтропии (XEB), исследователи получили показатель 0,35, что означает, что процессор выдавал безошибочные результаты 35% времени.

Квантовые компьютеры становятся все мощнее по мере увеличения количества обрабатываемых ими кубитов (или квантовых битов). Предполагается, что в долгосрочной перспективе эти компьютеры смогут за считанные секунды выполнять сложные вычисления, на которые у обычного суперкомпьютера ушли бы тысячи лет. Порог, при котором квантовый компьютер действительно превосходит классические компьютеры по количеству вычислений, называется «квантовым превосходством».

Однако для достижения квантового превосходства квантовые компьютеры должны быть способны обрабатывать не менее одного миллиона кубитов. Причина в том, что квантовые компьютеры по своей природе склонны к ошибкам, и количество обрабатываемых кубитов должно быть способно компенсировать это. Другими словами, сила этих компьютеров заключается в их способности обрабатывать как можно больший объем кубитов с наименьшим количеством ошибок. Однако самый большой из существующих квантовых компьютеров способен выполнить лишь около 1000 кубитов, да и то с очень большим количеством ошибок.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи сейчас уделяют больше внимания созданию надежных кубитов в небольшом количестве, а не больших объемов, которые подвержены большим ошибкам. С учетом этого модель H2 компании Quantinuum является первым в мире квантовым компьютером, способным создавать относительно надежные «логические» (или исправляющие ошибки) кубиты.

В предыдущей демонстрации, проведенной в сотрудничестве с Microsoft, модель, сконфигурированная с 32 физическими кубитами (с ионами в ловушках), создала логические кубиты с коэффициентом ошибок в 800 раз ниже, чем у физических кубитов. Это означает, что коэффициент ошибок логических кубитов составляет всего 1 к 100 000, по сравнению с 1 к 100 для физических кубитов.

Недавно компания Quantinuum обновила свою модель H2 с 32 до 56 ионных кубитов в ловушках. Новая модель H2-1 демонстрирует значительное улучшение, делая обычное моделирование невозможным и превосходя Symacore по вычислительной производительности и устойчивости к ошибкам.

Безошибочные результаты в 35% случаев

Чтобы оценить производительность системы H2-1, инженеры Quantinuum запустили общий алгоритм под названием Random Circuit Sampling (RCS). Качество результатов оценивалось с помощью подхода XEB, ставшего известным благодаря Google, когда он был использован для оценки производительности Sycamore. Показатель XEB, близкий к 0, означает «шумные» результаты с высоким уровнем ошибок, а показатель, близкий к 1, — низкий уровень ошибок.

Исследователи получили впечатляющий показатель XEB, равный 0,35, что говорит о том, что модель выдает безошибочные результаты в 35% случаев. Согласно исследованию, подробно описанному на сервере предварительной публикации arXiv, эта производительность достаточно высока, чтобы ее невозможно было смоделировать с помощью самых мощных в мире обычных суперкомпьютеров. Точнее, математически точное моделирование вычислений H2-1 невозможно, поскольку оно заняло бы всю память самых мощных суперкомпьютеров.

Для сравнения, показатель XEB у Sycamore (при 53 сверхпроводящих кубитах), измеренный в 2019 году, составил 0,002. Демонстрация Google показала, что модель может за 200 секунд выполнить сложный расчет, на который у обычных суперкомпьютеров ушло бы 10 000 лет. Это говорит о 100-кратном улучшении модели H2-1.

Кроме того, архитектура H2-1 обеспечивает более гибкие возможности подключения, что позволяет реализовать квантовые схемы с гораздо более сложной геометрией, чем двумерная геометрия, поддерживаемая квантовыми компьютерами на основе сверхпроводников. По словам исследователей, «значительная сложность классического моделирования H2-1, вероятно, ограничена только количеством кубитов, что демонстрирует перспективность и масштабируемость его архитектуры по мере дальнейшего прогресса в создании более крупных машин».

В 30 000 раз меньше энергии, чем у обычных суперкомпьютеров

Кроме того, можно провести прямое сравнение между временем, которое потребовалось модели H2-1 для выполнения алгоритма RCS, и временем, которое потребовалось бы обычному суперкомпьютеру для выполнения того же алгоритма. Однако последний может ускорить время выполнения за счет расширения или разделения рабочей нагрузки с другими суперкомпьютерами, работающими параллельно.

Затем исследователи посчитали, что сравнение будет более достоверным, если учесть количество энергии, необходимое для выполнения моделирования RCS на H2-1 или на обычном компьютерном оборудовании. Результаты показали, что H2-1 может выполнять алгоритм RCS, затрачивая в 30 000 раз меньше энергии, чем стандартные суперкомпьютеры.

«Мы полностью сосредоточены на пути к созданию отказоустойчивых универсальных квантовых компьютеров», — объясняет Ильяс Хан, директор по продукции Quantinuum, в пресс-релизе. «Эти результаты показывают, что хотя преимущества отказоустойчивых квантовых компьютеров не изменились по своей природе, они могут быть достигнуты раньше, чем ожидалось, и, что более важно, со временем наши клиенты получат ощутимые преимущества в своей повседневной работе, поскольку квантовые компьютеры начнут работать способами, которые не поддаются классическому моделированию», — заключает он.