Kvantové počítače jsou už řadu let spojovány s příslibem řešit úlohy, které jsou pro klasické počítače mimo praktické možnosti. Přesto se dosud vedly spory o tom, zda skutečně dokážou nabídnout měřitelnou výhodu a hlavně jestli lze jejich výstupy spolehlivě ověřit. Právě na tuto otázku se zaměřil nejnovější výzkum společnosti IBM ve spolupráci s vědci z University of Chicago.

Nešlo jen o rychlost, ale i o důvěru ve výsledek

Výzkumníci představili nový přístup k takzvanému vzorkování kvantových obvodů, které dlouhodobě slouží jako jeden z hlavních testů schopností kvantových počítačů. Takové výpočty vytvářejí extrémně složité vzory, jejichž simulace je pro klasické algoritmy mimořádně náročná.

Dosavadní problém spočíval v tom, že s rostoucí obtížností bylo stále těžší ověřit, zda kvantový počítač skutečně vypočítal správný výsledek. IBM proto navrhlo nový typ kódovaných kvantových obvodů, který umožňuje průběžně sledovat chyby a současně zachovává výpočetní náročnost úlohy. Podle autorů práce tak poprvé splňuje dvě základní podmínky kvantové výhody. Výpočet je mimo praktický dosah klasických metod a současně lze statisticky doložit jeho správnost.

Na experimentu se podílel mimo jiné Bill Fefferman z University of Chicago nebo Jay M. Gambetta, ředitel IBM Research. Výsledky byly zveřejněny v odborném preprintu na arXiv pod názvem Sampling hard circuits with verifiably high fidelity.

Sedmdesát logických qubitů představuje významný krok

Jedním z nejdůležitějších prvků experimentu bylo použití 70 logických qubitů. Ty se od běžných fyzických qubitů liší tím, že využívají metody kvantové korekce chyb. Informace jsou rozloženy mezi více fyzických prvků, což výrazně snižuje riziko, že výpočet znehodnotí šum nebo jiné poruchy.

Během testu provedl kvantový počítač 2 415 logických dvouqubitových operací a 468 logických T bran, které patří mezi nejnáročnější operace v kvantových obvodech. Díky použitému způsobu kódování se podařilo snížit logickou chybovost přibližně na desetinu chybovosti fyzických qubitů, což umožnilo dokončit rozsáhlý výpočet s vysokou přesností.

Samotný výpočet trval přibližně 15 minut. Autoři studie uvádějí, že současné přední klasické simulační metody by stejnou úlohu sice teoreticky řešit dokázaly, ale potřebný výpočetní čas by byl natolik dlouhý, že by řešení nebylo prakticky použitelné.