Квантовые компьютеры будут проверять результаты вычислений друг друга

Чип квантового компьютера D-Wave

(фото D-Wave Systems/Wikimedia Commons).

Кубиты могут принимать противоположные значения одновременно

(иллюстрация Jbw2/Wikimedia Commons).

На протяжении нескольких десятилетий учёные по всему миру работают над созданием вычислительных машин, работающих согласно законам квантовой физики. После того, как в этой области были достигнуты определённые результаты, возник вопрос: как определить, подлинны ли результаты вычисления квантового компьютера, если их невозможно перепроверить? Физики предложили необычный ответ: машины нужно заставить работать в паре.

Квантовые компьютеры в работе опираются на сложные законы квантовой механики, согласно которым частица, как кажется, может находиться в двух разных местах одновременно. Может быть и так, что две частицы, будучи квантово запутанными, одновременно меняют своё состояние на другое, как бы далеко они друг от друга не находились.

Если в классических компьютерах информация записывается в виде битов — наборов единиц и нулей, в квантовых компьютерах она представлена в виде кубитов (от английского qubit — quantum bit). Они могут быть одновременно единицами и нулями или представлять собой комбинацию двух состояний в пропорции, к примеру, 32% на "единицу", и 68% — на "ноль".

Благодаря такой особенности квантовые компьютеры работают куда быстрее обычных. Так, одна такая машина всего-то на 300 кубитов вмиг способна выполнить больше вычислений, чем существует атомов во Вселенной.

Чип квантового компьютера D-Wave (фото D-Wave Systems/Wikimedia Commons).

"Квантовые компьютеры, существующие сегодня, работают всего на нескольких кубитах, и потому проверить результаты их вычислений нетрудно с помощью обычных компьютеров или даже на листе бумаги. Но в будущем могут возникнуть проблемы с верификацией данных, поскольку эти машины будут становиться всё мощнее", — предупреждает Филипп Вальтер (Philip Walther) из Венского университета.

Несмотря на то, что с существующими технологиями создание более мощных квантовых компьютеров пока недостижимо, учёные уже озаботились решением упомянутой проблемы.

Вальтер и его коллеги предложили новый метод, который базируется на технологии "слепого квантового вычисления", разработанной той же командой физиков и описанной в 2012 году. По этой методике квантовый компьютер получает кубиты информации и выполняет поставленную задачу, но остаётся "слепым" к входящим и исходящим сигналам и даже к тому, какие именно вычисления производятся.

Чтобы проверить точность работы вычислительной машины, физики внедрили в задачи небольшие информационные ловушки — короткие промежуточные вычисления, результат которых был известен пользователю заранее.

"Если компьютер работает недолжным образом, его ответ на эти вычисления окажется отличным от ожидаемого", — поясняет Вальтер в пресс-релизе университета Вены.

Кубиты могут принимать противоположные значения одновременно (иллюстрация Jbw2/Wikimedia Commons).

Использовав данный алгоритм, австрийские учёные получили экспериментальное подтверждение тому, что один квантовый компьютер может проверять результаты другого. И хотя, по словам авторов исследования, в паре могут работать два любых квантовых компьютера, разумнее всего использовать менее мощный для проверки более мощного.

Наличие не выявленных ошибок будет зависеть от самих машин и характера производимых вычислений. Но чем больше "ловушек" будет встроено в поставленные задачи, тем больше вероятность того, что ошибка квантового компьютера будет поймана. Эти ловушки работают таким образом, что машина не может их отличить от стандартных заданий.

В своём эксперименте Вальтер и его коллеги использовали 4-кубитный компьютер в качестве проверяющего, но в теории он мог быть и любым другим. Авторы методики утверждают, что такой способ проверки является масштабируемым, то есть его можно использовать и для проверки хоть тысячекубитного компьютера на любой из существующих квантово-вычислительных платформ.

Свой метод Вальтер и его коллеги подробно описали в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Также по теме:
Ионный кристалл стал мощнейшим квантовым компьютером
Создан первый в мире квантовый маршрутизатор
Создан квантовый компьютер в алмазе
Учёные собрали простейший квантовый компьютер
Google и NASA приобрели для своих нужд квантовый компьютер