Квантовое превосходство подтверждено: экспоненциальное нарушение классических границ

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование демонстрирует, что квантовые компьютеры Quantinuum способны решать задачи, принципиально недоступные для классических вычислительных машин, подтверждая их подлинно квантовую природу.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Экспериментально зафиксировано экспоненциальное нарушение классических ограничений в игре на основе complement sampling с использованием ионных ловушек.

Несмотря на десятилетия экспериментов, проверка предсказаний квантовой механики и демонстрация неклассичности сталкиваются с ограничениями, связанными с зависимостью от вычислительной сложности и уязвимостью к шумам. В работе ‘Unconditional and exponentially large violation of classicality’ предложен новый подход к проверке неклассичности, основанный на игре с использованием метода дополнительной выборки, демонстрирующий максимально возможное разделение между квантовыми и классическими вычислениями. Эксперименты на ионных ловушках Quantinuum System Model H2 подтвердили экспоненциальное нарушение классичности, свидетельствующее о квантовой природе аппаратного обеспечения. Возможно ли масштабирование данного подхода для создания надежных и эффективных квантовых технологий?

Преодолевая Границы Классических Вычислений: В Поисках Не-Классичности

Традиционные вычисления сталкиваются с фундаментальными ограничениями при решении задач, сложность которых растет экспоненциально с увеличением объема данных. Это означает, что для обработки даже умеренно сложных систем требуется время и ресурсы, которые быстро становятся недоступными. Например, моделирование молекулярных взаимодействий или оптимизация сложных логистических сетей быстро становятся непосильными для самых мощных суперкомпьютеров. Именно эта потребность в преодолении экспоненциальных барьеров стимулирует активные исследования в области неклассических подходов к вычислениям, таких как квантовые вычисления и другие альтернативные парадигмы. Эти подходы, теоретически, способны решать определенные классы задач гораздо эффективнее, используя принципы, недоступные в рамках классической физики, что открывает перспективы для прорыва в различных областях науки и техники.

Подтверждение неклассичности квантовых систем представляет собой сложную задачу, поскольку отличить истинное квантовое поведение от результатов высокоразвитых классических симуляций становится все труднее. Классические алгоритмы постоянно совершенствуются, и даже незначительные отклонения в экспериментальных данных могут быть объяснены сложными классическими моделями. Это создает серьезные трудности при демонстрации реального преимущества квантовых вычислений. Для надежного подтверждения неклассичности требуется разработка методов, способных выявить поведение, которое принципиально невозможно воспроизвести на классическом компьютере, независимо от вычислительных ресурсов. Такие методы должны быть устойчивы к оптимизациям классических алгоритмов и обеспечивать убедительное доказательство квантового характера наблюдаемых явлений, что является ключевым шагом на пути к созданию практически полезных квантовых технологий.

Игра в отбор дополнений представляет собой эффективный и мощный метод демонстрации явного преимущества квантовых стратегий. В ходе эксперимента, реализованного на 37-кубитной системе, квантовый алгоритм продемонстрировал превосходство над классическими подходами, достигнув соотношения результатов до $2^n$. Этот результат указывает на экспоненциальный разрыв в производительности, подтверждая потенциал квантовых вычислений для решения задач, недоступных для классических компьютеров. В отличие от других методов верификации, игра в отбор дополнений позволяет получить четкое и измеримое подтверждение квантового превосходства, что делает её ценным инструментом в развитии квантовых технологий.

Игра «Выборка Дополнений»: Протокол Квантовой Верификации

Игра «Выборка дополнений» использует подмножества, определенные задачей Бернштейна-Вазирани, для создания сложного теста, предназначенного для оценки стратегий как квантовых, так и классических алгоритмов. Задача Бернштейна-Вазирани, заключающаяся в определении скрытого бита из $n$ битов с использованием запросов к оракулу, позволяет построить семейство подмножеств, обладающих определенными свойствами. Эти подмножества служат основой для проверки, поскольку классические алгоритмы испытывают экспоненциальные трудности при эффективном определении их размера, в то время как квантовые алгоритмы демонстрируют значительное преимущество. Таким образом, игра «Выборка дополнений» позволяет выявить и подтвердить квантовое превосходство, основываясь на различиях в производительности при решении задачи определения размера подмножеств, связанных с задачей Бернштейна-Вазирани.

Протокол проверки, основанный на игре с дополнением (complement sampling game), обеспечивает эффективную верификацию преимуществ квантовых стратегий при использовании полиномиальных ресурсов. В частности, для подтверждения экспоненциального превосходства квантового алгоритма над классическими, требуется лишь вычислительная мощность, растущая полиномиально относительно размера задачи. Это достигается за счет особого построения игры, позволяющего проверять результат работы квантового алгоритма без необходимости полного его повторения или знания входных данных, что существенно снижает вычислительные затраты на верификацию.

Ключевым элементом игры с выборочным дополнением является необходимость в генерации истинно случайных битовых строк. Процесс генерации должен быть надежным и обеспечивать равномерное распределение вероятностей для каждого бита. Отсутствие истинной случайности может привести к предвзятости в проверке и позволить классическим стратегиям обмануть систему, выдавая себя за квантовые. Использование псевдослучайных генераторов, не прошедших строгие статистические тесты, неприемлемо, поскольку они могут обладать предсказуемыми закономерностями, позволяющими атакующему предсказать входные данные и обойти протокол верификации. Надежная генерация случайных чисел является фундаментальным требованием для корректной работы протокола и обеспечения достоверности результатов.

Квантовая Случайность и Валидация с Помощью Тестов Белла

Качество генератора случайных чисел имеет первостепенное значение для обеспечения непредсказуемости. Псевдослучайные перестановки, основанные на односторонних функциях, представляют собой приближение к истинной случайности. Эти функции, такие как криптографические хеш-функции, математически трудно обратить, что обеспечивает, чтобы выходные данные были непредсказуемы, учитывая входные. Однако, поскольку псевдослучайные генераторы детерминированы и основаны на начальном значении (seed), они не являются истинно случайными и могут быть предсказаны при знании seed и алгоритма генерации. Поэтому, для приложений, требующих высокой степени случайности, такие генераторы рассматриваются как компромисс между скоростью генерации и истинной непредсказуемостью.

Для проверки случайности генерируемых битов используется тест Белла, позволяющий установить, не отличимы ли полученные последовательности от истинно случайных. В ходе теста сравниваются корреляции между измерениями, выполненными над запутанными частицами, и предсказаниями классической физики. Критическим параметром является $p$-значение: если оно меньше 0.01, то нулевая гипотеза о существовании классической стратегии, объясняющей наблюдаемые корреляции, отвергается, подтверждая, что сгенерированные биты обладают высокой степенью случайности и не могут быть предсказаны классическими алгоритмами.

Квантовая телепортация используется для безопасной доставки случайных битов судье в игре, гарантируя отсутствие предвзятости при оценке. В данном контексте, телепортация не подразумевает физического перемещения битов, а является протоколом, позволяющим передать квантовое состояние, кодирующее случайный бит, на удаленное расстояние, используя запутанность и классический канал связи. Это исключает возможность перехвата или манипулирования случайными битами третьей стороной, поскольку любое измерение состояния, осуществляемое злоумышленником, разрушит квантовую запутанность и будет обнаружено. Протокол обеспечивает криптографическую безопасность передачи, гарантируя, что судья получит непредвзятые случайные данные, необходимые для справедливого проведения игры.

Демонстрация Квантового Преимущества с Использованием Диффузии Гровера

Ключевым элементом разработанной квантовой стратегии является использование оператора диффузии Гровера, позволяющего эффективно исследовать пространство решений в задаче выборки дополнений. В отличие от классических алгоритмов, которые последовательно перебирают варианты, данный подход позволяет одновременно охватить множество потенциальных решений, значительно ускоряя процесс поиска. Оператор Гровера, по сути, усиливает амплитуду вероятности правильных ответов, подавляя вероятность неправильных, что позволяет с высокой вероятностью получить желаемый результат. Этот механизм, основанный на принципах квантовой суперпозиции и интерференции, обеспечивает экспоненциальное ускорение по сравнению с любыми известными классическими алгоритмами, что делает его перспективным инструментом для решения сложных вычислительных задач.

Для успешной реализации квантовых вычислений, особенно при работе со сложными алгоритмами, критически важна защита квантового состояния от разрушительного воздействия шума и декогеренции. В рамках данного исследования была применена квантовая коррекция ошибок, позволяющая существенно снизить вероятность ошибок в памяти каждого кубита. Достигнутый уровень ошибок памяти составил $(1.20 \pm 0.20) \times 10^{-4}$, что демонстрирует высокую надежность сохранения квантовой информации на протяжении всего вычислительного процесса. Такая точность является ключевым фактором для масштабирования квантовых систем и получения достоверных результатов, особенно при решении задач, недоступных для классических компьютеров.

Реализация данной стратегии на квантовой платформе Quantinuum System Model H2 продемонстрировала выраженное экспоненциальное превосходство над любыми классическими подходами к решению задачи. Эксперименты показали, что соотношение между квантовым и классическим результатами достигает $2^n$, что указывает на значительное ускорение при увеличении числа кубитов. Важно отметить, что высокая точность вычислений была достигнута, несмотря на присущие квантовым системам шумы, благодаря использованию высококачественных двухкубитных гейтов с погрешностью всего $(8.30 \pm 0.48) \times 10^{-4}$ на 37-кубитном устройстве. Данный результат подтверждает потенциал квантовых вычислений для решения задач, недоступных для классических компьютеров, и открывает новые горизонты для развития квантовых алгоритмов.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует экспоненциальное нарушение классической физики посредством квантовых вычислений на ионных ловушках. Этот результат не просто подтверждает квантовую природу аппаратного обеспечения, но и подчеркивает необходимость тщательного рассмотрения этических аспектов автоматизации. Как однажды заметил Ричард Фейнман: «Если вы не можете объяснить что-то простыми словами, значит, вы сами этого не понимаете». Подобно тому, как сложность квантовых вычислений требует глубокого понимания, так и автоматизация, основанная на сложных алгоритмах, требует глубокого понимания ценностей, которые она кодирует. Любой алгоритм, игнорирующий уязвимые группы, несёт долг перед обществом, и исправление кода иногда равносильно исправлению этики. Нарушение классических границ, продемонстрированное в эксперименте, требует столь же глубокого нарушения устаревших этических норм в сфере технологий.

Что дальше?

Демонстрация экспоненциального нарушения классических границ, представленная в данной работе, представляет собой не столько триумф над классической физикой, сколько напоминание о её пределах. В то время как нарушение неравенств Белла становится всё более убедительным, необходимо признать, что сама постановка экспериментальных задач не свободна от предпосылок, которые могут маскировать скрытые классические механизмы. Акцент на устойчивость к определённым видам шума, безусловно, важен, однако полная картина влияния несовершенства аппаратного обеспечения на наблюдаемые эффекты остаётся неполной.

Будущие исследования должны сместить фокус с простой демонстрации “квантового превосходства” на более глубокое понимание природы наблюдаемой неклассичности. Необходимо разрабатывать тесты, которые были бы не просто устойчивы к шуму, но и позволяли бы активно выявлять и характеризовать его источники. Важно помнить, что каждый алгоритм несёт в себе определённое мировоззрение, и автоматизация без этической рефлексии – это ускорение без направления.

Настоящая работа, таким образом, открывает путь не к окончательной победе над классической физикой, а к более тонкому и осознанному исследованию границ между классическим и квантовым мирами. Поиск не просто “квантовых решений”, но и осмысление социальных и этических последствий автоматизации квантовых вычислений представляется задачей не менее важной.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.11008.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-17 12:50