Физики доказали: шумы заставляют квантовые компьютеры «забывать» операции
Европейские и американские ученые под руководством доцента EPFL Го Ихуэя создали математическую модель «шумного» квантового компьютера. Выяснилось, что помехи заставляют систему хранить информацию лишь о нескольких последних операциях, логарифмически завися от числа кубитов.
Квантовые компьютеры считаются технологией будущего, способной решать задачи, недоступные даже самым мощным суперкомпьютерам. Однако новое исследование европейских и американских физиков накладывает серьезные ограничения на их реальные возможности. Ученые под руководством доцента швейцарской Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) Го Ихуэя обнаружили, что любые источники помех, нарушающие квантовые состояния, серьезно ограничивают число операций, которые может выполнить квантовый компьютер без встроенной системы коррекции ошибок.
Все существующие и разрабатываемые сегодня квантовые компьютеры относятся к так называемому классу NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum — «шумные квантовые устройства промежуточного масштаба»). Это машины из нескольких десятков или сотен квантовых битов (кубитов), которые способны выполнять тысячи логических операций с небольшим, но ненулевым количеством ошибок. Основная проблема — различные помехи и случайные факторы, нарушающие квантовое состояние кубитов.
Чтобы выяснить, насколько эффективно эти машины могут проводить длительные вычисления, группа Го Ихуэя создала детальную математическую модель NISQ-компьютера и просчитала, как шумы влияют на длительные вычисления с большим числом логических операций. Ученые учитывали не только случайные шумы, повышающие хаос в квантовой системе, но и другие вариации помех, которые потенциально могли бы помогать проводить вычисления.
Результат оказался неутешительным для энтузиастов квантовой гонки. Совместное действие помех накладывает очень жесткие ограничения на длину логических цепочек, которые можно выполнить на «шумном» квантовом компьютере. Шумы фактически заставляют вычислительную систему «забывать» почти все предыдущие шаги расчетов и хранить информацию только о нескольких последних операциях. Количество таких операций логарифмически зависит от числа кубитов в компьютере. То есть увеличение числа кубитов не приводит к пропорциональному росту памяти — прогресс замедляется.
Это открытие существенно ограничивает перспективы применения NISQ-компьютеров, особенно при решении задач квантовой химии и оптимизации квантовых алгоритмов, подытожили физики.