Учёным удалось разработать и продемонстрировать новый эффективный протокол верификации квантового случайного сэмплирования на процессоре с захваченными ионами. Международная группа исследователей из Инсбрукского университета, Свободного университета Берлина и других институтов представила своё достижение в журнале Nature Communications.

Квантовое преимущество – одна из ключевых целей в области квантовых вычислений, определяющая момент, когда квантовый компьютер превосходит классический в решении определённых задач. Квантовое случайное сэмплирование, заключающееся в генерации выборок из вероятностного распределения, является одним из потенциальных способов продемонстрировать такое преимущество.

Хотя предыдущие исследования успешно решали задачи случайного сэмплирования на квантовых компьютерах, проверка эффективности этих решений оставалась сложной задачей. Существующие методы верификации, основанные на классических данных, либо требовали чрезмерных вычислительных ресурсов, либо плохо масштабировались на более крупные квантовые системы.

Новый протокол, разработанный международной командой, основан на модели квантовых вычислений, управляемых измерениями (MBQC). Исследователи успешно продемонстрировали его работу на квантовом процессоре с захваченными ионами, состоящем из 16 кубитов, организованных в кластерное состояние размером 4x4. Важной особенностью эксперимента стала возможность повторного использования некоторых кубитов, что представляет собой значительный технологический прогресс для платформы захваченных ионов.

Новый метод позволяет эффективно проверять корректность квантового сэмплирования, даже когда классическое моделирование соответствующего распределения практически невозможно. В ходе эксперимента учёные смогли надёжно оценить точность подготовки кластерного состояния, а полученные результаты измерений оказались очень близки к теоретическим предсказаниям.

Профессор Йенс Айзерт, один из соавторов исследования, подчеркнул: «Концептуальное достижение заключается в понимании того, что проверка корректности экспериментов по сэмплированию возможна эффективным способом, даже если невозможно эффективно получить классические выборки из почти правильного распределения. Это интригует, поскольку можно утверждать, что эксперимент был проведён правильно, даже если невозможно сделать прогнозы о его результатах».

Разработанная схема может быть использована другими исследовательскими группами для тестирования производительности их квантовых вычислительных систем. Это важный шаг на пути к созданию более совершенных квантовых вычислительных платформ и развитию методов защиты от ошибок в квантовых схемах.