Игра проверяет квантовое поведение на системе до 55 кубитов

Как убедиться, что процессор использует квантовые свойства способом, который классическая стратегия воспроизвести не может? Исследование, опубликованное 5 сентября в Nature Communications, предлагает проверку в форме игры. Команда Марчелло Бенедетти и Гарри Бурмана из Quantinuum разработала правила, позволяющие математически доказать классический предел, а затем сопоставила его с результатами реального процессора.

Игра начинается со строк из нулей и единиц одинаковой длины. Судья делит все возможные строки на две равные группы и держит разделение в секрете. Игрок получает единственную копию квантового состояния, подготовленного на основе первой группы, и должен вернуть строку из второй. В рассматриваемой классической стратегии полученное состояние сразу измеряется, раскрывая лишь одну строку из первой группы. Это позволяет исключить известную строку, но оставляет большую неопределённость относительно остальных: с увеличением длины наилучшая классическая доля успехов приближается к половине попыток.

Квантовый игрок может действовать до измерения. Полученное состояние объединяет возможности первой группы в суперпозицию: они совместно участвуют в физической эволюции системы, хотя итоговое измерение выдаёт только один ответ. Схема перестраивает амплитуды — величины, определяющие вероятности результатов измерения, — перенося возможности в дополняющую группу. В идеальной модели без ошибок ответ после этого всегда принадлежит второй группе. Исследователи выбрали разделения с математической структурой, позволяющей эффективно и готовить состояние, и проверять ответ.

Команда выполнила протокол на H2 — процессоре, который хранит квантовую информацию в захваченных ионах, — используя до 55 кубитов, единиц этой информации. Самая большая конфигурация работала с 37-битными строками. Для оценки устройства исследователи сочетали игровые раунды с раундами проверки подготовки состояния. Общий показатель снижался в более крупных конфигурациях, подверженных большему числу ошибок, но в описанных испытаниях оставался выше классического предела.

Подчёркнутый в статье экспоненциальный рост относится к отношению скорректированных показателей: превышение квантового результата над опорным уровнем сравнивается с максимально возможным классическим превышением над тем же уровнем. Это не означает экспоненциального роста доли правильных ответов или экспоненциального ускорения программы на H2. Вклад работы — проверяемая процедура, различающая два типа поведения при явно заданных правилах доступа к информации.

Таким образом, исследование показывает способ проверки квантовых процессоров относительно доказанного классического предела, без опоры на гипотезы о сложности решения отдельных задач. Предлагаемый следующий шаг — провести игру между физически раздельными устройствами, соединёнными настоящим квантовым каналом. В представленном эксперименте роли судьи и игрока были реализованы внутри одного процессора.