Квантовый рубеж пройден: IBM и Qedma показали преимущество над суперкомпьютерами

Квантовые вычисления десятилетиями обещали открыть двери в миры, недоступные классическим машинам. И вот, похоже, этот момент настал. IBM и Qedma Quantum Computing объявили о прорыве: их совместная работа позволила впервые достичь квантового превосходства на коммерчески доступном оборудовании, причём с таким уровнем надёжности, который превращает квантовый компьютер в настоящий научный инструмент.

Исследователи смоделировали поведение сложных квантовых материалов — динамику двумерной модели Флоке-Изинга, описывающей, как меняются магнитные свойства вещества под действием ритмичных внешних импульсов. Задача, давно ставившая в тупик классические симуляции, была решена на системе из 74 кубитов с использованием процессора IBM Quantum Heron и облачного ПО Qedma для подавления и смягчения ошибок (QESEM).

Главный итог: там, где лучшие классические методы, включая расчёты на одном из мощнейших суперкомпьютеров мира Fugaku (RIKEN, Япония), начинали давать противоречивые результаты или просто пасовали перед сложностью, квантовая система с коррекцией ошибок Qedma демонстрировала чёткую, повторяемую картину. Она показала устойчивые осцилляции, которые классические подходы не могли уловить.

Доверие через многослойную проверку

Особенность этой работы — не только сам результат, но и путь к нему. Команда выстроила многоступенчатую стратегию валидации, чтобы исключить вероятность того, что наблюдаемые эффекты — лишь артефакты шума или несовершенства «железа».

Сначала протокол смягчения ошибок калибровали на задачах, которые ещё можно было проверить классическими компьютерами. Затем, убедившись в его корректности, его применили к более масштабным системам и длительным временам эволюции, где классические симуляции уже теряли точность. Более того, независимую проверку провели на другой квантовой платформе — ионных ловушках Quantinuum. Совпадение результатов на принципиально разном оборудовании стало дополнительным доказательством того, что физика, рождённая квантовым симулятором, реальна, а не порождена ошибками конкретного устройства.

«Квантовые компьютеры IBM достигли зрелости, позволяющей получать решения, которые впервые вызывают доверие благодаря всестороннему тестированию и превосходят лучшие классические методы симуляции», — отметил Джей Гамбетта, директор IBM Research и IBM Fellow. Он также подчеркнул роль публичного репозитория Quantum Advantage Tracker, куда были выложены квантовые схемы и результаты ещё до публикации препринта на arXiv: это даёт возможность научному сообществу продолжать сравнительный анализ.

Практический горизонт: от материалов до оптоэлектроники

Это не просто академическое упражнение. Способность точно моделировать квантовую динамику материалов открывает путь к дизайну веществ с заданными свойствами. Речь идёт о сверхбыстрой оптоэлектронике, светоиндуцированных сверхпроводниках и других передовых приложениях. Доктор Асиф Синай, CEO и сооснователь Qedma, подчеркнул: «Сегодня мы начинаем видеть, как обещание квантовых компьютеров становится реальностью. Наше ПО делает существующие квантовые машины значительно мощнее и надёжнее, приближая индустрию к практическому коммерческому эффекту».

Доктор Мицухиса Сато из RIKEN добавил, что эта работа — важный шаг к будущему, где квантовые и классические вычисления работают в тандеме, расширяя горизонты науки. Пока же можно констатировать: эра, когда квантовый компьютер становится доверенным научным прибором, а не просто экспериментальной диковиной, действительно наступила.

Квантовые схемы с гарантией точности

В основе нового достижения лежит отказ от классического бенчмарка — сэмплирования случайных схем (random circuit sampling, RCS). Годами RCS служил главным полигоном для доказательства квантового превосходства: квантовый компьютер генерирует настолько сложные паттерны, что классической машине не под силу их воспроизвести. Но у этого подхода есть ахиллесова пята — проверка результата. Чем сложнее задача, тем труднее, а затем и вовсе невозможно удостовериться, что квантовый ответ верен, если не делать сильных допущений о внутренней работе самого устройства.

Исследователи из IBM и Чикагского университета нашли выход. Они предложили структурированную альтернативу RCS, которая, как доказала команда, сохраняет ту же вычислительную жёсткость, но при этом позволяет выявлять ошибки прямо во время вычислений. Это не просто теоретическая конструкция — метод реализован в виде кодированных квантовых схем, которые позволили провести одну из крупнейших на сегодня демонстраций логических квантовых вычислений. Результаты и сами схемы выложены в открытый доступ в Quantum Advantage Tracker.

Билл Фефферман (Bill Fefferman), адъюнкт-профессор Чикагского университета, подчеркнул: «Верификация остаётся одним из главных препятствий для надёжного установления экспериментального квантового превосходства. Этот эксперимент развивает техники, позволяющие лучше характеризовать точность сложных квантовых состояний в условиях шума, что повышает уверенность в том, что квантовый компьютер действительно решает вычислительно трудную задачу».

Его аспирант Сумик Гош (Soumik Ghosh) добавил: «Помимо усиления экспериментальной проверки, прогресс в верификации способен открыть практические приложения для следующего поколения квантовых компьютеров».

70 логических кубитов и 15 минут, неподвластные классике

Практический итог этой работы впечатляет ещё сильнее. С помощью нового метода коррекции ошибок учёным удалось закодировать 70 логических кубитов и решить задачу, которая классическим суперкомпьютерам не по зубам. Квантовый компьютер справился с ней примерно за 15 минут — ведущие классические методы потребовали бы для этого невообразимо долгого времени. Так впервые сошлись два ключевых критерия квантового превосходства: выполнение вычислений за пределами досягаемости классических симуляций и одновременное подтверждение того, что результат точен.

Секрет надёжности кроется не только в архитектуре схем, но и в программном слое. Здесь в игру вступает QESEM — продвинутое ПО для снижения ошибок от компании Qedma, доступное в каталоге функций Qiskit на платформе IBM Quantum. Вместо того чтобы ждать появления крупномасштабных, полностью отказоустойчивых квантовых машин, QESEM использует запатентованный подход, который позволяет запускать более объёмные и сложные квантовые алгоритмы прямо сейчас, получая при этом более точные результаты.

Программный пакет предлагает несколько методов подавления ошибок, включая несмещённый подход, гарантирующий извлечение достоверных данных из зашумлённого «железа». QESEM уже применяют ведущие предприятия, академические институты и исследовательские лаборатории по всему миру. Qedma, основанная доктором Асифом Синаем (Asif Sinay) вместе с профессором Дорит Ааронов (Dorit Aharonov) — той самой, что тридцать лет назад доказала принципиальную возможность квантовой коррекции ошибок и заложила основы квантовой отказоустойчивости, — и профессором Нетанелем Линднером (Netanel Lindner), известным физиком-теоретиком в области сложных квантовых систем, ускоряет путь к практическим квантовым вычислениям, резко снижая влияние аппаратных ошибок.

Эра надёжного квантового инструмента

Эти достижения знаменуют наступление эры практических квантовых вычислений как надёжного научного инструмента. Речь идёт не о единичном трюке, а о системном сдвиге: IBM и партнёры по всей экосистеме — среди них Чикагский университет, Qedma и Algorithmiq — одновременно анонсировали демонстрации квантового превосходства, каждая со своим акцентом. Algorithmiq, например, предложила фреймворк для доверенных квантовых вычислений за пределами классической верификации. Общая цель — превратить квантовый компьютер из объекта споров в рабочий инструмент для открытия новых материалов и решения фундаментальных физических задач.

Кстати, мы уже писали о том, как [Algorithmiq и IBM заложили основы проверяемых квантовых вычислений](/algorithmiq-ibm-trusted-quantum), а также о [первых шагах к логическим кубитам в совместной работе IBM и Чикагского университета](/ibm-chicago-logical-qubits). Сегодняшний результат — прямое продолжение тех усилий, только теперь с конкретными цифрами и открытыми данными.

Детали эксперимента и полный список партнёрских анонсов доступны в блоге IBM Quantum по ссылке https://www.ibm.com/quantum/blog/quantum-advantage. Схемы и результаты ждут всех желающих в Quantum Advantage Tracker — возможно, именно там начнётся следующая глава этой истории.

Квантовый рубеж: когда суперкомпьютеры сдаются

Представьте: задача, на которую у классического суперкомпьютера ушли бы тысячи лет, решается за 15 минут. Именно это удалось команде IBM и Чикагского университета — и речь не о теоретической возможности, а о реальном эксперименте, результаты которого только что обнародованы. Квантовый процессор IBM Quantum Heron, доступный через облако, справился с вычислением, которое оказалось не по зубам самым мощным классическим машинам. Но главное даже не скорость, а то, как именно это было сделано — с исправлением ошибок на уровне, который раньше считался недостижимым.

70 логических кубитов и 10-кратное снижение ошибок

В ходе одной из крупнейших известных демонстраций коррекции ошибок исследователи задействовали 70 логических кубитов. В отличие от физических кубитов, подверженных шумам и сбоям, логические кубиты защищены специальными кодами. Команда выполнила 2415 логических двухкубитных операций и 468 логических «T-гейтов» — оба показателя отражают сложность квантовой схемы. Благодаря кодированию эффективная частота логических ошибок оказалась в 10 раз ниже, чем у физических ошибок. Это позволило достичь поразительно высокой точности схемы даже при таком объёме гейтов.

Джей Гамбетта, директор IBM Research, не скрывает энтузиазма: «Мы прочно вошли в эру квантового преимущества. Мы продемонстрировали квантовое вычисление за пределами практической досягаемости классических компьютеров и установили со статистической достоверностью нижнюю границу его точности. Эта веха даёт учёным, разработчикам и бизнесу новое основание доверять квантовым компьютерам по мере их масштабирования к задачам, далеко выходящим за классические возможности».

Доверие через исправление ошибок

Коррекция ошибок и уверенность в результате — ключевые шаги на пути к масштабируемым квантовым вычислениям. Без них любой результат можно списать на случайный сбой. В этой работе команда не просто показала, что квантовый компьютер быстрее, но и доказала, что его ответам можно верить. Классические методы симуляции, даже самые передовые, упирались в запретительно долгое время выполнения, тогда как квантовый процессор справился примерно за четверть часа.

Параллельно с этим прорывом партнёры из экосистемы IBM анонсировали и другие демонстрации квантового преимущества с доверенными вычислениями. Среди них — совместная работа IBM и компании Qedma, которая заслуживает отдельного внимания.

Qedma: симуляция физики за гранью классики

IBM и Qedma, пионер в области программного обеспечения для снижения квантовых ошибок, объявили о прорывном исследовании. Они показали, как можно проводить доверенные, устойчивые к ошибкам квантовые вычисления для изучения физики материалов — за пределами возможностей самых современных классических симуляций, включая те, что запускались на суперкомпьютере Fugaku, одном из мощнейших в мире.

Используя квантовые процессоры IBM Quantum Heron и облачное программное обеспечение Qedma QESEM (Quantum Error Suppression and Error Mitigation), исследователи наблюдали сложную и долгоживущую квантовую динамику в системах размером до 74 кубитов. Они изучали тонкие осцилляции двумерной модели Флоке-Изинга — системы, которую физики применяют для понимания того, как магнитные свойства материала меняются под воздействием ритмичных внешних импульсов. Вопрос о том, сохраняются ли такие осцилляции в больших системах, оставался открытым, потому что нужные режимы быстро перегружают классические вычислительные методы. Квантовый компьютер в связке с QESEM позволил разрешить эту динамику с высокой точностью.

Команда сравнила квантовые результаты с классическими симуляциями и обнаружила, что там, где классические подходы начинали давать противоречивые ответы, квантовая система продолжала выдавать стабильные и согласованные данные. Это первый случай, когда квантовое преимущество было достигнуто с использованием коммерчески доступного оборудования и программного обеспечения, превращая продвинутые квантовые компьютеры в надёжные научные инструменты для исследования физики, которая может привести к созданию сверхбыстрой оптоэлектроники, светоиндуцированных сверхпроводников и других передовых материалов.

Что это значит для науки

Оба достижения — и демонстрация IBM с Чикагским университетом, и работа с Qedma — знаменуют наступление эры практических квантовых вычислений. Речь больше не о лабораторных курьёзах, а о реальном инструменте, способном решать задачи, неподъёмные для классических суперкомпьютеров. Доверие к результатам, подкреплённое статистикой и исправлением ошибок, открывает путь к применению в материаловедении, фармацевтике и фундаментальной физике. Квантовое превосходство перестало быть лозунгом — теперь это воспроизводимый экспериментальный факт.

Гонка с классическими суперкомпьютерами

Чтобы понять, насколько серьезен квантовый результат, команда обратилась к RIKEN — ведущему японскому исследовательскому институту — и компании BlueQubit, разрабатывающей крупномасштабные симуляции квантовых схем. Вместе они сравнили работу квантовой системы с самыми передовыми классическими методами, которые использовали принципиально разные вычислительные стратегии. По мере роста сложности квантовой системы ни один из классических подходов не смог стабильно согласовываться с результатами квантовых экспериментов на том масштабе, которого те достигли. И это при том, что классические симуляции запускали на Fugaku — одном из мощнейших суперкомпьютеров мира.

Квантовый компьютер с коррекцией ошибок, напротив, выдавал непротиворечивые данные и отчетливо показывал долговременное колебательное поведение системы. Чтобы научное сообщество могло и дальше проверять эти результаты классическими методами, команда выложила квантовые схемы и итоги экспериментов в открытый доступ на платформе Quantum Advantage Tracker — еще до публикации препринта на arXiv на этой неделе.

Доверие через многоуровневую проверку

Ключевая особенность этой работы — масштабная стратегия валидации. Сначала исследователи применили несмещенный протокол снижения ошибок и сравнили его результаты с классическими расчетами там, где такое сравнение еще оставалось возможным. Затем они вышли за пределы точности классических симуляций. После этого более масштабируемый метод коррекции проверили на уже подтвержденных результатах, и только потом расширили его на системы большего размера и более длительное время эволюции.

Независимую проверку провели и на других квантовых платформах — в частности, на системах с захваченными ионами от Quantinuum. Согласованность поведения на разных технологиях стала дополнительным доказательством того, что измеренная физика действительно исходит от моделируемой квантовой системы, а не от ошибок конкретного устройства или метода коррекции.

Джей Гамбетта, директор IBM Research и стипендиат IBM, отметил: «Квантовые компьютеры IBM достигли зрелости, позволяющей им впервые выдавать решения, которые одновременно и внушают доверие благодаря всестороннему тестированию, и превосходят лучшие классические методы симуляции. Я с нетерпением жду новых результатов, которые будут проверяться через Quantum Advantage Tracker по мере того, как мы углубляем понимание границы между квантовыми и классическими вычислениями».

Программный слой, меняющий правила игры

Асиф Синай, CEO и соучредитель Qedma, подчеркнул: «Десятилетиями квантовые вычисления обещали открытия за пределами возможностей классических компьютеров. Сегодня это обещание начинает становиться реальностью. Используя программное обеспечение Qedma, мы делаем современные квантовые компьютеры значительно более мощными и надежными, приближая индустрию к реальному коммерческому эффекту».

Мицухиса Сато, директор отдела квантово-HPC гибридной платформы Центра вычислительных наук RIKEN, добавил: «Квантовые компьютеры начинают открывать новые возможности для научных открытий в среде высокопроизводительных вычислений. Эта работа опиралась на лидерство RIKEN в передовом классическом моделировании и суперкомпьютинге, а также на программное обеспечение Qedma для снижения ошибок на квантовых компьютерах IBM. Мы показали, что квантовые вычисления способны превзойти ведущие классические методы. Это важный шаг к будущему, где квантовые и классические компьютеры вместе двигают науку вперед».

Ключевой элемент успеха — передовое программное обеспечение Qedma под названием QESEM, доступное в каталоге Qiskit Functions на платформе IBM Quantum. Оно снижает влияние шума, присущего нынешним квантовым компьютерам. Вместо того чтобы ждать появления крупномасштабных полностью отказоустойчивых квантовых систем, запатентованный подход QESEM уже сейчас позволяет запускать более крупные и сложные квантовые задачи и получать более точные результаты. ПО предлагает несколько методов снижения ошибок, включая несмещенный подход, который гарантирует точность при извлечении надежных данных из зашумленного квантового оборудования. Сегодня QESEM используют ведущие предприятия, академические институты и исследовательские лаборатории по всему миру.

Параллельно с этим достижением IBM и Qedma партнеры из экосистемы IBM также анонсировали демонстрации квантового превосходства.

Квантовый рубеж позади: вычисления, которые не потянуть даже лучшим суперкомпьютерам

IBM и её партнёры объявили о достижении, которое ещё недавно казалось делом далёкого будущего. Им удалось выполнить на квантовом процессоре расчёт, принципиально недоступный для любой классической вычислительной системы — включая самые мощные суперкомпьютеры планеты. Речь идёт не о лабораторном трюке, а о практической задаче из области физики конденсированного состояния, связанной с моделированием поведения сложных квантовых систем.

Ключевое слово здесь — «практическая». Предыдущие демонстрации квантового превосходства часто критиковали за искусственность: задачи подбирались специально под сильные стороны квантовых устройств и не имели прикладной ценности. Нынешний прорыв иной. Команда исследователей поставила перед процессором вопрос, ответ на который напрямую влияет на понимание свойств материалов — а значит, на возможность создавать новые вещества с заранее заданными характеристиками.

Почему классические машины спасовали

Чтобы осознать масштаб, достаточно взглянуть на цифры. Классический суперкомпьютер, попытайся он воспроизвести тот же расчёт «в лоб», потратил бы на него время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Квантовый процессор справился за часы. Такая пропасть в производительности возникает из-за экспоненциального роста сложности при моделировании квантовых систем: каждый дополнительный кубит в реальном объекте удваивает объём информации, который нужно обработать классическому компьютеру. Квантовый компьютер, напротив, сам живёт по законам квантовой механики и потому «чувствует» подобные задачи как родные.

Исследователи подчёркивают: их целью было не просто утереть нос классическим архитектурам, а получить достоверный физический результат. И они его получили — с контролируемой погрешностью и верификацией там, где это позволяли альтернативные методы. Там же, где альтернатив не существовало, квантовый ответ остаётся единственным доступным человечеству ориентиром.

Инструмент, а не диковина

Этот эксперимент знаменует сдвиг в восприятии квантовых вычислений. Из забавной диковины, живущей в криогенных лабораториях, они превращаются в надёжный научный инструмент — что-то вроде сверхточного микроскопа, способного заглянуть вглубь материи на уровне электронных взаимодействий. IBM и её партнёры намеренно сделали ставку на открытость: детали эксперимента, методики подавления ошибок и сырые данные опубликованы, чтобы научное сообщество могло самостоятельно оценить результат и — что важнее — начать применять его в собственных изысканиях.

Практические последствия могут затронуть самые разные области. Новые катализаторы для «зелёной» химии, высокотемпературные сверхпроводники, более эффективные аккумуляторы — всё это упирается в понимание квантовых эффектов, которые раньше приходилось грубо приближать или вовсе игнорировать. Теперь же появляется шанс заглянуть в сердце этих явлений без упрощающих допущений.

Что дальше

Достижение не означает, что завтра квантовые компьютеры заменят классические. Скорее, они займут нишу специализированных ускорителей для определённого класса задач — примерно как графические процессоры в машинном обучении. Следующий шаг — масштабирование: увеличение числа кубитов при сохранении качества операций, совершенствование кодов коррекции ошибок и создание экосистемы прикладного ПО, которое позволит физикам и химикам ставить эксперименты, не вникая в детали «железа».

Сам факт, что квантовая машина впервые дала полезный ответ на вопрос, который иначе остался бы без ответа, меняет правила игры. Эра практических квантовых вычислений действительно наступила — и теперь дело за тем, чтобы превратить единичный успех в повседневную исследовательскую практику.