Квантовий обчислювач Zuchongzhi на надпровідниках, розроблений китайськими фізиками, виявився на 2-3 порядку швидшим за Sycamore компанії Google. Вони використовували процесор з 56 кубітами і експериментально показали його перевагу над класичним. Препринт роботи опубліковано на arXiv.org
Два роки тому компанія Google заявила про досягнення квантової переваги на обчислювачі з 53 надпровідникових кубітів, який вони назвали Sycamore. Вони показали, що квантовий обчислювач справляється швидше класичного із завданням генерації випадкового рядка - після застосування відомої випадкової послідовності операцій над початковим станом обчислювача вимірюють отриманий на виході ймовірнісний розподіл і порівнюють його з теоретичним. Компанія IBM розкритикувала результати експерименту, стверджуючи, що класичному суперкомп'ютеру потрібно в тисячі разів менше часу, якщо використовувати інший класичний алгоритм. Пізніше команда вчених з Google перейшла до прикладних завдань і розрахувала на Sycamore енергії основного стану водневих ланцюжків і змогла описати хімічну реакцію.
Команда фізиків під керівництвом Цзянь-Вей Паня (Jian-Wei Pan) з науково-технічного університету Китаю показала наскільки потужнішим стає квантовий обчислювач при збільшенні числа кубітів з 53 до 56. Автори використовували 56 кубітів 66-кубітного квантового обчислювача і вимірювали точність застосування однокубітних, двокубітних операцій і зчитування кубітів. Для того щоб оцінити потужність обчислювача, автори вирішували за його допомогою завдання генерації випадкового рядка.
Квантовий процесор має архітектуру у вигляді почесної решітки з 66 надпровідних кубітів трансмонів, про які можна детальніше дізнатися з нашого курсу за квантовими технологіями. Кожен кубіт (крім крайніх) пов'язаний з чотирма сусідніми за допомогою спеціального кубіту, який регулює ступінь взаємодії. По суті, це такий же трансмон, але працює на іншій частоті - це дозволяє розділити управління різними типами кубітів.
Після того як фізики експериментально переконалися в тому, що помилки, одержувані при реалізації операцій над одним або двома кубітами не перевершують одного відсотка, а помилка зчитування становить 4,5 відсотка, вони перейшли до генерації випадкових квантових послідовностей. Випадкову послідовність або рядок може згенерувати випадкова квантова схема: до упередженої решітки кубітів застосовують послідовно «шари» з однокубітних і двокубітних операцій. В одному циклі кожен кубит випадково піддаються одному з трьох перетворень і одному двокубітному, яке змінюється від циклу до циклу в певній послідовності, а після всіх циклів і безпосередньо перед вимірюванням нам усіма кубітами знову роблять випадкові однокубітні операції.
Навіть невелика кількість циклів дозволяє отримати заплутаний стан з високою ймовірністю. Проте автори використовували схему з 20 циклів на 56 кубітах і порівнювали результати з обчисленнями класичного комп'ютера. Зі збільшенням числа циклів симуляція завдання стає непосильною для класичного комп'ютера, тому для оцінки його продуктивності фізики використовують спрощені моделі схеми - вони або розділяють схему на дві окремі частини і перетворюють їх паралельно, або прибирають кілька двокубітних підшарів на самому початку. Перевірка на невеликому числі циклів показує, що обидві моделі добре описують експериментальні дані, тому вчені екстраполюють залежність точності перетворення ланцюга від числа циклів на більшу кількість циклів.
Порівняння часу, необхідного для вирішення завдання на класичному та квантовому процесорі, дозволило вченим порівняти наскільки складнішим стає завдання зі збільшенням кількості кубітів. Якщо із завданням для 53 кубітів, класичний комп'ютер впорався за 15,9 дня, то 56-кубітна займає у нього 8,2 року.
Незважаючи на те, що автори використовували два різних алгоритми з підходами для симуляцій на класичному комп'ютері і отримали близькі оцінки, вони передбачають виникнення нових більш ефективних алгоритмів. На їхню думку, це дозволить продовжити змагання між класичними і квантовими обчисленнями і може виявитися корисним у масштабуванні квантових систем.
Простий і ефективний класичний алгоритм для симуляції квантових схем з такою ж архітектурою вже пропонувала і реалізовувала група китайських фізиків. А їхні колеги показували, що фотонний квантовий процесор виявляється швидшим за класичний у вирішенні іншого завдання.