Концепция «квантового объёма» от IBM предлагает вынести измерение прогресса в квантовых вычислениях за пределы простого подсчёта кубитов

В IBM придумали термин «квантовый объём» для измерения прогресса в квантовых вычислениях, пока квантовые технологии ещё далеки от идеала

Измерение прогресса квантовых компьютеров в эпоху «зашумлённых» квантовых вычислений может оказаться сложной задачей. Некоторые компании, в частности, IBM и Honeywell, остановились на такой мере прогресса, как «квантовый объём». Однако не все компании и исследователи соглашаются с полезностью этой меры в мире квантовых вычислений.

В идеальном мире исследователи могли бы измерять прогресс квантовых вычислений на основе количества квантовых битов (кубитов) в каждом из компьютеров. Однако шум от теплового движения или электромагнитных источников постоянно угрожает разрушительным вмешательством в вычисления, проводимые хрупкими кубитами. В результате очень сложно надёжно оценить возможности квантовых компьютеров на основании одного лишь общего количества кубитов. Поэтому исследователи из IBM предложили ввести концепцию квантового объёма как более надёжную меру, применимую на данном этапе развития пока не идеальной технологии квантовых вычислений.

«Можно представить себе квантовый объём как среднее количество цепей квантового компьютера, работающих в наихудших условиях», — говорит Джей Гамбетта, научный сотрудник и вице-президент по квантовым вычислениям в IBM. «Результат означает, что если это «наихудшее условие» возможно, то квантовый объём будет мерой качества цепей. Чем выше качество, тем более сложные цепи смогут работать на квантовых компьютерах».

Если точнее, то команда IBM определяет квантовый объём как два в степени, соответствующей размеру самой крупной цепи с одинаковой шириной и глубиной, способной пройти определённые испытания на надёжность. В испытаниях проверяются случайные двухкубитовые шлюзы, говорит Дэниел Лидар, директор центра квантово-информационных наук и технологий при Южно-Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Размер цепи определяется либо по ширине, на основе количества кубитов, либо по глубине – на основе количества шлюзов. При этом ширина и глубина количественно совпадают.

Это означает, что у квантовой вычислительной системы из 6 кубитов квантовый объём будет равен 2 в степени 6, или 64 – но только если её кубиты будут относительно мало зависеть от шума, не выдавая связанных с ним ошибок. Поэтому для определения квантового объёма важен выбор конкретного испытания на надёжность.

Лидар, не участвовавший в создании концепции квантового объёма, считает её полезной мерой для сегодняшних квантовых компьютеров. Их технологию называют зашумлённой квантовой технологией среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ). «Такая метрика прекрасно описывает быстродействие квантовых компьютеров эпохи NISQ. Эта эра характерна тем, что шум всё ещё выступает одним из главных факторов, ограничивающих глубину надёжно работающих цепей».

Поскольку IBM начала активно использовать этот термин с конца 2019 года, квантовый объём уже довольно часто встречается в работах по квантовым вычислениям и пресс-релизах от IBM и других компаний, в частности, Honeywell. Однако по крайней мере один директор технокомпании уже высказал идею о том, что полезность термина скоро будет исчерпана.

Обсуждая последние разработки в области квантовых компьютеров компании IonQ в интервью, Питер Чапмен рассказал, как уменьшение шума может позволить сделать высокоточную 32-кубитную систему с квантовым объёмом порядка 4 млн. Он предположил, что всего через 18 месяцев значения квантового объёма вырастут так сильно, что исследователям придётся поменять определение, чтобы оно могло оставаться полезным.

Однако Лидар не согласен с тем, что термин " квантовый объём" довольно быстро уйдёт в небытие. Он указывает на тот факт, что квантовый объём будет расти так быстро только из-за той части определения, в которой двойку возводят в степень. Он добавил, что IBM даже не использовала это возведение в степень в первой своей работе на эту тему, опубликованной в 2017 году. «Это просто недостаток самого определения», — говорит Лидар.

Лидар говорит, что проще всего было бы определить квантовый объём в соответствии с самым большим количеством кубитов или шлюзов, и не использовать возведение в степень.

Не все считают квантовый объём таким важным или необходимым мерилом для оценки прогресса квантовых вычислений. Непонятно, нужно ли вообще сводить прогресс квантовых компьютеров к единственной мерке, говорит Скотт Ааронсон, специалист по информатике и директор квантового информационного центра в Техасском университете в Остине. Этот и другие вопросы по теме он осветил в своей статье "Прикрутите квантовый объём" [volume – объём, а также громкость / прим. перев.].

«Это просто ещё один из возможных обобщённых потребительских индексов крутизны квантовых компьютеров, среди бесчисленного множества альтернатив», — говорит Ааронсон.

С практической точки зрения квантовым объёмом озабочены только крупные игроки в этой индустрии – такие, как IBM. Так считает Джавад Шабани, адъюнкт-профессор физики и председатель лаборатории Шабани в Нью-Йоркском университете. У него и у других исследователей обычно нет доступа к таким крупным квантовым системам, даже учитывая то, что всё больше компаний предоставляет облачный доступ к подобным системам для программистов.

И всё же Шабани считает квантовый объём полезной концепцией, более осмысленно определяющей прогресс в квантовых вычислениях, чем простой подсчёт кубитов. Он, как и Лидар, предлагает оставить квантовый объём в деле, пока шум является ограничивающим фактором – будь то ближайшие пять лет, или десять.

«Если у вас получится создать логический кубит, не подверженный шуму, тогда эта концепция квантового объёма медленно исчезнет естественным путём », — говорит Шабани.