Идеальное — враг быстрого: квантовые компьютеры доказали своё превосходство необычным путём

Физики из Университета Южной Калифорнии (USC) представили убедительные доказательства превосходства квантовых компьютеров. Результаты научной работы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показали: машины нового поколения существенно быстрее находят оптимальные параметры в сложных математических задачах, если учесть небольшой, но очень важный нюанс.

Прорыв стал возможен благодаря методу квантового отжига – подходу, имитирующему природные процессы в металлах при их остывании. Подобно тому, как атомы в остывающем материале выстраиваются в наиболее устойчивую структуру, элементы в микросхеме постепенно принимают оптимальное расположение. При этом законы квантовой механики позволяют частицам "просачиваться" сквозь энергетические барьеры, находя глобальные минимумы энергии гораздо быстрее, чем это происходит в обычных условиях. "Такие низкоэнергетические состояния соответствуют наилучшим вариантам для поставленных задач", – объясняет руководитель проекта Дэниел Лидар, профессор электротехники, химии, физики и астрономии в USC. Главное преимущество метода заключается в том, что он позволяет одновременно рассматривать огромное количество возможных решений, тогда как традиционные алгоритмы вынуждены перебирать варианты последовательно.

На протяжении многих лет научное сообщество пыталось продемонстрировать растущий потенциал техники, основанной на законах микромира: её преимущество должно увеличиваться по мере усложнения поставленных задач. Математические расчеты предсказывали такую возможность, но практических подтверждений не существовало. Успех пришел, когда ученые сместили акцент с абсолютной точности на поиск приближенных ответов.

Тесты проходили на установке D-Wave Advantage в Институте информационных наук USC. Как и все современные приборы, использующие эффекты квантовой механики, этот агрегат страдает от внешних помех. Для борьбы с искажениями научная группа разработала специальную методику коррекции, создав более 1300 защищенных логических элементов. Подход позволил обойти возможности самого совершенного традиционного метода – алгоритма параллельного отжига с изоэнергетическими кластерными перемещениями.

Для сравнения эффективности разных подходов специалисты выбрали математические модели спиновых стекол – особых магнитных материалов с хаотичным расположением частиц. "Эти среды часто становятся полигоном для испытания новых алгоритмов из-за необычайной сложности протекающих в них процессов", – поясняет Лидар. И главный критерий успеха - не абсолютная точность, а скорость нахождения приемлемого результата – время, за которое алгоритм способен найти решение, отклоняющееся от идеального не более чем на заданный процент.

Такой способ оценки имеет множество практических применений. В реальном мире редко требуется найти единственно верное решение. К примеру, управляющему инвестиционным фондом достаточно подобрать набор активов, обгоняющий по доходности рыночные индексы. Схожие условия характерны для транспортной логистики, инженерного проектирования и других сфер, где важна оптимизация.

Коллектив Лидара готовится расширить границы применения своей технологии, приступив к изучению более сложных задач с многомерными параметрами и плотными взаимосвязями между элементами.

Модернизация оборудования и усовершенствование защиты от помех позволят добиться еще более впечатляющих результатов, – считает руководитель проекта. – Перед нами открываются новые горизонты в создании алгоритмов для тех областей, где абсолютная точность не является обязательным условием.