Claude самостоятельно перепроектировал квантовые схемы и в семи из восьми задач сократил сразу два дефицитных ресурса: число кубитов и вентилей Тоффоли. Для восьмой задачи модель нашла новую обратимую архитектуру, а один из её вариантов потребовал на 12% больше кубитов, чем самая компактная прежняя схема, зато уменьшил число вентилей в 17 раз. Авторы работы утверждают, что Claude находил новые способы построения вычислений, а не ограничивался мелкой оптимизацией готовых решений.
Квантовая схема состоит из последовательности операций над кубитами. Чем меньше кубитов нужно алгоритму, тем скромнее требования к будущему компьютеру, а сокращение числа вентилей обычно позволяет быстрее закончить расчёт. Особенно дорого обходятся вентили Тоффоли, поэтому исследователи часто считают их количество, когда оценивают ресурсы квантового алгоритма.
Claude Mythos 5 получил текстовые описания восьми задач из химии, оптимизации, моделирования, численных вычислений и теории чисел. Модель писала код схемы, после чего отдельная программа проверяла правильность решения и подсчитывала затраты. Оценка возвращалась Claude, и модель пробовала следующий вариант. Во время обычных циклов человек не вмешивался, хотя исследователи задавали первоначальные условия и иногда просили расширить поиск возможных решений.
Самый необычный результат появился при работе со сложением точек на эллиптической кривой. Операция нужна квантовым алгоритмам, способным решать задачу дискретного логарифмирования, на сложности которой держится часть современной криптографии. Больше всего ресурсов здесь забирает модульное обращение, математическая операция, отдалённо напоминающая деление с числами, которые циклически переходят через заданный предел.
Обычные компьютеры могут выполнять модульное обращение методом divsteps. Для квантовой схемы возникала проблема: вычисление должно оставаться обратимым, поэтому нельзя просто стереть сведения о том, какой путь программа выбрала на предыдущем шаге. Если сохранять всю историю, понадобятся дополнительные кубиты.
Claude предложил восстанавливать нужную информацию из текущих числовых значений вместо хранения полной истории. Первые правила работали лишь на небольших примерах, после чего модель перешла к математическому анализу, вывела новые алгебраические соотношения и получила формулу для восстановления прошлых шагов. Claude проверил её на численных моделях, а затем формализовал доказательство в Lean. На поиск решения для задачи с эллиптической кривой ушло 53 часа при минимальном участии людей, следует из описания эксперимента.
Во второй показательной задаче Claude занялся декодером Рида-Соломона внутри квантового алгоритма оптимизации DQI. Прежняя схема опиралась на расширенный алгоритм Евклида, где последовательность действий зависит от входных данных. Claude выбрал алгоритм Берлекэмпа-Мэсси, который повторяет однотипные шаги фиксированное число раз и лучше подходит для квантовой схемы. После дополнительных изменений число вентилей в самой затратной части декодера уменьшилось примерно в 12 раз.
Модель также попыталась убрать лишний запас памяти. Claude выполнил 403 млн моделирований и обнаружил, что почти всегда достаточно сохранить лишь одно исключительное промежуточное значение. Для него схема резервирует 19 кубитов вместо сотен, которые понадобились бы при расчёте на худший сценарий. Примерно один запуск из 10 000 требует больше памяти и заканчивается ошибкой, однако условия поставленной задачи допускают такую частоту сбоев.
Полученные схемы сами по себе не решают аппаратные проблемы квантовых компьютеров. Кубиты по-прежнему легко теряют состояние из-за помех, а практическим машинам нужны коррекция ошибок, быстрые декодеры и сложная управляющая электроника. Работа показывает более узкий, но важный результат: языковая модель способна искать новые математические способы снизить стоимость квантовых вычислений и самостоятельно проверять найденные решения.
