IBM и Qedma заявили о первом случае, когда доступный через облако квантовый компьютер решил научную задачу убедительнее ведущих классических методов. Эксперимент не сводился к демонстрации отдельного быстрого расчёта: исследователи изучили поведение системы из 74 кубитов, проверили результаты несколькими способами и получили картину, с которой классические модели уже не могли согласиться между собой.
Работа посвящена одной из главных проблем современных квантовых компьютеров. Кубиты крайне чувствительны к внешним помехам, ошибкам управления и несовершенству оборудования. По мере усложнения программы шум накапливается и способен превратить итог вычислений в набор правдоподобных, но неверных чисел. Полноценные системы с автоматическим исправлением ошибок пока остаются сложной инженерной целью, поэтому исследователи пытаются извлекать надёжные ответы из уже существующих устройств.
Для эксперимента использовали облачный квантовый компьютер IBM с процессором Quantum Heron и программное обеспечение QESEM компании Qedma. Программа не устраняет физические дефекты кубитов, а оценивает влияние шума и математически корректирует полученные данные. Подобный подход называют подавлением и смягчением квантовых ошибок.
Учёные исследовали двумерную модель Флоке — модель Изинга с периодическим воздействием. В упрощённом виде такая система описывает множество связанных магнитных элементов, состояние которых меняется под действием повторяющихся импульсов. Физиков интересовало, сохранятся ли характерные колебания после увеличения числа частиц и продолжительности процесса.
Модель Изинга часто используют для изучения магнетизма и коллективного поведения вещества. Каждый элемент можно условно представить как крошечную стрелку, направленную вверх или вниз. Соседние стрелки влияют друг на друга, а внешние импульсы регулярно нарушают сложившийся порядок. При небольшом размере системы движение ещё можно рассчитать на обычном компьютере. С ростом числа элементов количество возможных состояний увеличивается настолько быстро, что прямое моделирование становится практически недоступным.
Квантовый процессор естественным образом работает с множеством связанных состояний, поэтому подходит для подобных задач. В эксперименте исследователи смогли проследить длительные колебания в системах размером до 74 кубитов. После коррекции ошибок результаты сохраняли чёткую структуру даже на тех этапах, где классические алгоритмы начинали расходиться.
Для проверки команда привлекла японский исследовательский институт RIKEN и разработчика квантовых симуляторов BlueQubit. Специалисты применили несколько современных методов классического моделирования, основанных на разных вычислительных принципах. Часть расчётов запускали на Fugaku, одном из мощнейших суперкомпьютеров мира.
Пока модель оставалась относительно небольшой, классические и квантовые вычисления можно было напрямую сравнивать. Исследователи сначала использовали строгий метод коррекции ошибок, который не должен систематически сдвигать результат в желаемую сторону. Совпадение с доступными классическими расчётами подтвердило работоспособность процедуры.
Затем размер системы и время её эволюции увеличили. Классические методы постепенно потеряли точность и перестали давать единый ответ. Один алгоритм предсказывал одни значения, другой показывал заметно отличающуюся динамику. Квантовый компьютер с QESEM продолжал демонстрировать устойчивые продолжительные колебания.
Исследователи не стали полагаться только на один способ обработки данных. Более масштабируемый вариант коррекции сначала сравнили со строгим методом в области, где оба подхода ещё можно было проверить. Лишь после совпадения его применили к более крупным системам, недоступным надёжному классическому моделированию.
Дополнительную проверку провели на квантовых компьютерах другого типа. Часть экспериментов повторили на устройствах Quantinuum, где вместо сверхпроводящих кубитов используются захваченные ионы. Схожее поведение на двух разных аппаратных платформах снизило вероятность того, что наблюдаемые колебания возникли из-за особенностей конкретного процессора или алгоритма коррекции.
Авторы называют результат квантовым преимуществом . Под таким преимуществом понимают ситуацию, когда квантовая система выполняет полезный расчёт, а лучшие доступные классические методы уже не могут дать столь же надёжный ответ. Речь пока не идёт о превосходстве квантовых компьютеров во всех задачах. Эксперимент показывает преимущество в узкой, специально выбранной области физического моделирования.
Компании подчёркивают, что использовали коммерчески доступные инструменты. Процессоры IBM и программное обеспечение Qedma работают через облачные платформы, а не на закрытой экспериментальной установке, созданной только для одной лаборатории. Квантовые схемы и результаты также разместили в открытом сервисе Quantum Advantage Tracker, чтобы независимые группы могли повторить сравнение.
Научная ценность работы связана прежде всего с моделированием сложных материалов. Периодическое воздействие светом или электромагнитными импульсами способно временно менять свойства вещества. Подобные процессы изучают при разработке сверхбыстрой оптоэлектроники, управляемых светом состояний и материалов, которые могут проявлять сверхпроводимость после внешнего возбуждения.
Классические компьютеры успешно моделируют множество физических систем, но сталкиваются с трудностями, когда частицы оказываются сильно связанными и влияют друг на друга одновременно. Для точного описания приходится учитывать огромное число квантовых состояний. Необходимые объёмы памяти и вычислений растут экспоненциально, поэтому даже суперкомпьютеры быстро достигают предела.
Квантовое устройство тоже не выдаёт готовое описание реального материала одним запуском. Исследователям необходимо правильно составить схему, многократно повторить эксперимент, оценить шум и убедиться, что коррекция не создала искусственный эффект. Именно подробная проверка отличает новую работу от демонстраций, где квантовый процессор показывает результат, но его достоверность трудно подтвердить.
QESEM доступна в каталоге Qiskit Functions на платформе IBM Quantum. Разработчики предлагают несколько методов уменьшения ошибок, включая строгий, но ресурсоёмкий вариант и более практичные процедуры для крупных вычислений. Подход позволяет выполнять сложные программы уже сейчас, не дожидаясь появления полностью отказоустойчивых квантовых компьютеров.
Результат пока опубликован в виде препринта и требует независимого анализа. Заявление о квантовом преимуществе неизбежно вызовет споры, поскольку новые классические алгоритмы нередко сокращают разрыв после подобных демонстраций. Открытая публикация схем позволит проверить, действительно ли обычные компьютеры исчерпали доступные методы или смогут позднее воспроизвести наблюдаемую динамику.
Даже при таком ограничении эксперимент показывает заметный сдвиг. Квантовые компьютеры начинают использовать не только для проверки собственных возможностей, но и как исследовательские приборы. В отдельных задачах физики материалов шумные процессоры уже способны заходить в область, где даже крупнейшие классические системы перестают давать согласованные результаты.