Исследователю Сколтеха удалось приблизить перспективы квантовых вычислений, сделав открытие, доказывающее универсальный характер их вариационной модели. С помощью него появляется возможность использовать квантовые симуляторы для универсальных вычислений. Статья опубликована в журнале Physical Review A и была включена в перечень рекомендуемых статей этого издания (Editors’ Suggestion list).

Квантовый симулятор должен обладать теми же свойствами, что и квантовая система, для исследования которой он предназначен. Если первые квантовые симуляторы создавались под конкретную задачу без возможности программирования и настройки и имитировали только одну или несколько систем, то в современных квантовых симуляторах предусмотрена возможность изменения настроек и реализованы более широкие функциональные возможности.

В отличие от квантового симулятора, квантовый компьютер, о скором появлении которого так много говорят, представляет собой полностью программируемую квантовую систему. Пока создание полностью программируемого квантового процессора остается трудновыполнимой задачей, а вот частично программируемые шумные квантовые процессоры, способные выполнять короткие квантовые программы, уже используются в ведущих лабораториях по всему миру. Такие квантовые процессоры по своим возможностям уже вплотную приблизились к более привычным квантовым симуляторам.

Несмотря на то, что сегодняшние прототипы квантовых процессоров пока малоуправляемы и имеют высокий уровень шума, они обладают несомненными преимуществами, что было наглядно продемонстрировано специалистами Google и китайскими учеными. Превосходство квантовых вычислений заключается в том, что квантовые процессоры способны решать отдельные задачи намного быстрее, чем лучшие в мире суперкомпьютеры.

Однако добиться превосходства квантовых вычислений удалось лишь при ограниченной программируемости: настройка определенной короткой квантовой программы или схемы возможна только при условии выполнения последующих упрощенных квантовых измерений. Вопрос, который сейчас волнует исследователей во всем мире – до какого предела можно развивать такой упрощенный подход применительно к приложениям, которые помимо квантового превосходства будут обладать еще и реальными, практическими преимуществами?

«Когда же квантовый симулятор превратится в квантовый компьютер? О квантовых процессорах Google и других компаний часто говорят, что они «находятся где-то между специализированным квантовым симулятором и программируемым квантовым компьютером».

Google и другие разработчики применили специальный вариационный подход, который заключался в настройке квантовой схемы с целью минимизации функции стоимости, вычисляемой классическими методами.

Как выясняется, такой подход представляет собой универсальную модель квантовых вычислений, а это означает, что для выполнения общих квантовых алгоритмов квантовый симулятор нуждается лишь в некоторых дополнительных настройках управления», – отмечает руководитель Лаборатории квантовой обработки информации доцент Сколтеха Джейкоб Биамонте.

По словам издателей журнала Physical Review A., Биамонте доказал, «что современный вариационный подход к квантовым алгоритмам позволяет создать универсальную модель квантовых вычислений». Издатели также утверждают, что «этот подход позволяет сократить разрыв между ресурсами, необходимыми для универсальных квантовых вычислений, и современными квантовыми процессорами».

«Проведенное исследование помогло преодолеть разрыв между программируемым квантовым симулятором и универсальным квантовым компьютером. Вариационный подход позволит реализовывать полноценные квантовые алгоритмы на современных квантовых устройствах», – добавляет Джейкоб Биамонте.