В научном вестнике Nature Communications опубликован эксперимент, который предлагает принципиально новый способ подтвердить, что квантовые компьютеры действительно способны превзойти обычные классические машины. Главная проблема, которую решает работа, — верификация: по мере роста числа операций проверка результатов квантового устройства на обычных ПК становится практически невозможной из-за чрезмерных требований к вычислительным мощностям. Исследователи предложили обходной путь в виде экспериментальной «игры» на основе задания по выборке дополнения (complement sampling), и свежий эксперимент показал, что квантовая система справилась с задачей более эффективно, чем лучшие классические алгоритмы.

Как устроена «игра» на выборку дополнения

Суть предложенного теста проста по формулировке, но сложна для классической машины. Все возможные варианты ответов тайно делятся на две равные группы — А и Б. Цель участника — получить один случайный вариант из группы А и вернуть ответ, принадлежащий группе Б. Для классического компьютера это оказывается ловушкой: система получает лишь одну конкретную цифру или элемент и не знает распределения остальных вариантов, поэтому её шансы на успех падают по мере увеличения размера данных. Квантовый компьютер, напротив, благодаря суперпозиции может находиться в нескольких состояниях одновременно, обрабатывать всю группу А параллельно, превращать её в группу Б с помощью специальной схемы и лишь затем производить измерения.

Почему классическим машинам это не под силу

Разница в подходах приводит к разрыву в вычислительной эффективности, который классические алгоритмы не могут компенсировать наращиванием ресурсов. По мере масштабирования задачи классическая система сталкивается с экспоненциальным ростом требований к памяти и времени, тогда как квантовое устройство использует параллелизм состояний, чтобы обойти прямой перебор. Именно это делает предложенный тест удобным инструментом верификации: он позволяет зафиксировать момент, когда результат квантового устройства становится недостижимым для любого классического подхода, даже теоретически.

Эксперимент на 55 кубитах

Исследователи протестировали алгоритм на ионном квантовом компьютере Quantinuum H2, применив тысячи различных схем и масштабировав опыт до 55 кубитов. Несмотря на наличие аппаратного шума, характерного для реальных устройств, результаты квантовой системы оказались статистически недостижимыми для любого классического ПК. В частности, в тесте с 37-битными строками квантовый компьютер справился с задачей, выходящей за пределы возможностей лучших классических алгоритмов, а разница в вычислительной эффективности оказалась значительной.

Что дальше: два квантовых компьютера и квантовый канал

Авторы работы обозначают и следующий этап развития метода. В будущем они планируют усложнить эксперимент, разведя системы выбора и анализа ответов на два отдельных квантовых компьютера, соединённых настоящим квантовым каналом связи. Такой переход от единого устройства к распределённой конфигурации позволит проверить превосходство в условиях, близких к реальным квантовым сетям, и дополнительно укрепить доказательную базу верификации.

Контекст: где это в общей картине

Полученный результат вписывается в более широкий контекст борьбы за доказательство квантового превосходства, где параллельно развиваются и другие направления. Так, в смежной линии работ суперкомпьютер Jupiter ранее полностью смоделировал 50-кубитный квантовый процессор, что демонстрирует и рост возможностей классической симуляции. Важно, однако, что это отдельное достижение, а не часть описанного эксперимента: предложенный в Nature Communications тест на выборку дополнения и 55-кубитный опыт на Quantinuum H2 представляют самостоятельный метод верификации, в котором квантовое устройство решает задачу, статистически недоступную классическим алгоритмам.