У науковому віснику Nature Communications опубліковано експеримент, який пропонує принципово новий спосіб підтвердити, що квантові комп'ютери дійсно здатні перевершити звичайні класичні машини. Головна проблема, яку вирішує робота, — верифікація: зі зростанням числа операцій перевірка результатів квантового пристрою на звичайних ПК стає практично неможливою через надмірні вимоги до обчислювальної потужності. Дослідники запропонували обхідний шлях у вигляді експериментальної «гри» на основі задачі вибірки доповнення (complement sampling), і свіжий експеримент показав, що квантова система впоралася з задачею ефективніше, ніж найкращі класичні алгоритми.

Як влаштована «гра» на вибірку доповнення

Суть запропонованого тесту проста за формулюванням, але складна для класичної машини. Усі можливі варіанти відповідей таємно поділяються на дві рівні групи — А і Б. Мета учасника — отримати один випадковий варіант із групи А і повернути відповідь, що належить до групи Б. Для класичного комп'ютера це виявляється пасткою: система отримує лише одну конкретну цифру або елемент і не знає розподілу інших варіантів, тому її шанси на успіх падають зі зростанням розміру даних. Квантовий комп'ютер, навпаки, завдяки суперпозиції може перебувати в кількох станах одночасно, обробляти всю групу А паралельно, перетворювати її на групу Б за допомогою спеціальної схеми і лише потім виконувати вимірювання.

Чому класичним машинам це не по силах

Різниця в підходах призводить до розриву в обчислювальній ефективності, який класичні алгоритми не можуть компенсувати нарощуванням ресурсів. Зі масштабуванням задачі класична система стикається з експоненційним зростанням вимог до пам'яті та часу, тоді як квантовий пристрій використовує паралелізм станів, щоб обійти прямий перебір. Саме це робить запропонований тест зручним інструментом верифікації: він дозволяє зафіксувати момент, коли результат квантового пристрою стає недосяжним для будь-якого класичного підходу, навіть теоретично.

Експеримент на 55 кубітах

Дослідники протестували алгоритм на іонному квантовому комп'ютері Quantinuum H2, застосувавши тисячі різних схем і масштабувавши досвід до 55 кубітів. Попри наявність апаратного шуму, характерного для реальних пристроїв, результати квантової системи виявилися статистично недосяжними для будь-якого класичного ПК. Зокрема, у тесті з 37-бітовими рядками квантовий комп'ютер впорався з задачею, що виходить за межі можливостей найкращих класичних алгоритмів, а різниця в обчислювальній ефективності виявилася значною.

Що далі: два квантові комп'ютери та квантовий канал

Автори роботи окреслюють і наступний етап розвитку методу. У майбутньому вони планують ускладнити експеримент, розвівши системи вибору та аналізу відповідей на два окремі квантові комп'ютери, з'єднані справжнім квантовим каналом зв'язку. Такий перехід від єдиного пристрою до розподіленої конфігурації дозволить перевірити перевагу в умовах, близьких до реальних квантових мереж, і додатково зміцнити доказову базу верифікації.

Контекст: де це в загальній картині

Отриманий результат вписується в ширший контекст боротьби за доведення квантової переваги, де паралельно розвиваються й інші напрямки. Так, у суміжній лінії робіт суперкомп'ютер Jupiter раніше повністю смодельовував 50-кубитний квантовий процесор, що демонструє і зростання можливостей класичної симуляції. Важливо, однак, що це окреме досягнення, а не частина описаного експерименту: запропонований у Nature Communications тест на вибірку доповнення та 55-кубитний досвід на Quantinuum H2 утворюють самостійний метод верифікації, в якому квантовий пристрій вирішує задачу, статистично недоступну класичним алгоритмам.