Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), Свободного университета Берлина и Копенгагенского университета выяснили, что квантовые компьютеры забывают большую часть проделанной работы из-за шума. Ученые установили, что влияние ранних шагов вычислений постепенно полностью стирается, оставляя финальный результат зависимым лишь от последних слоев алгоритма. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Базовая логика сложной работы квантовых вычислительных схем во многом напоминает классический принцип падающего домино: каждый шаг вычислений должен без задержек передавать информацию следующему звену, чтобы в самом конце сформировался правильный ответ. Однако на микроскопическом уровне хрупкие квантовые системы подвержены постоянным физическим возмущениям, известным как «шум». Эти помехи копятся с каждой операцией.
Долгое время в физике считалось, что чем длиннее и сложнее квантовая цепь, тем больше ее подавляющее вычислительное преимущество над обычными классическими суперкомпьютерами. Новое теоретическое моделирование полностью опровергло этот устоявшийся постулат. Физики проанализировали поведение глубоких алгоритмов в жестких реалистичных условиях, когда каждый отдельный кубит испытывает существенное искажение после каждого такта работы.
Чем сложнее, тем хуже
Сложный математический анализ убедительно показал, что по мере продвижения алгоритма вперед влияние самых первых вычислительных слоев бесследно растворяется в нарастающем шуме. К тому моменту, когда квантовый компьютер готов выдать свой итоговый ответ о физическом состоянии кубита, начальные операции уже практически полностью стерты из памяти. Вся финальная научная ценность вычислений ложится исключительно на несколько последних шагов.
Это открытие объясняет, почему глубокие и сверхсложные квантовые цепи на практике часто ведут себя точно так же, как и поверхностные, состоящие всего из нескольких базовых команд. Простое линейное добавление новых логических ворот больше не приводит к взрывному росту производительности. В сильно зашумленной физической среде избыточная сложность алгоритма становится бессмысленной, так как система просто не может удержать данные.
Новое исследование очерчивает весьма строгие практические и инженерные границы для всего текущего поколения квантовых устройств. Становится очевидным, что простое механическое наращивание глубины вычислений не принесет ожидаемых коммерческих прорывов. Дальнейшее бурное развитие подобных технологий потребует кардинального снижения физического шума аппаратуры или создания архитектур, устойчивых к потере хрупких квантовых состояний.
Ранее Наука Mail рассказывала, что совсем скоро квантовые компьютеры могут стать угрозой для глобальной кибербезопасности.
