Новый метод оценки погрешности квантовых симуляторов

Группа учёных под руководством Тристана Крафта из Технического университета Мюнхена и Петера Цоллера из Университета Инсбрука и Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук, совместно с Барбарой Краус из Технического университета Мюнхена, продемонстрировала метод экспериментальной характеристики квантового симулятора, позволяющий преобразовать его неопределённости в количественные границы погрешности. Подход был проверен командой во главе с Маноем Джоши и Кристианом Руусом на ионно-ловушечном квантовом симуляторе, содержащем до 51 иона.

Физические ограничения реальных устройств

Квантовые симуляторы — это физические системы, созданные для воспроизведения поведения других квантовых систем. Их ключевое применение — исследование сложных многочастичных систем, расчёты для которых быстро превышают вычислительные возможности классических компьютеров. Однако, как отмечает Тристан Крафт, «никакой реальный эксперимент не является идеальным: взаимодействия могут отличаться от ожидаемых, система подвержена влиянию окружающей среды, а измерения также сопряжены с неопределённостями».

Вместо предположения о том, что симулятор работает строго в соответствии с заданной моделью, исследователи используют экспериментальные данные для определения его фактического поведения. «На основе этих данных мы определяем релевантные взаимодействия, а также ключевые влияния флуктуаций и шума. Затем рассчитываем, как неопределённости в этой модели сказываются на результатах симуляции», — поясняет Крафт. В результате квантовый симулятор выдаёт не одно значение, а результат с количественно выраженной погрешностью, характеризующей его точность.

Масштабирование до 51 иона

Первым этапом проверки метода стало тестирование на системе из десяти ионов — размера, при котором поведение системы ещё допускает расчёт на классическом компьютере. Полученная модель и её прогнозируемые границы погрешности были сопоставлены с независимыми измерениями, что позволило подтвердить работоспособность подхода.

Затем метод был масштабирован до цепочки из 51 иона, что доказало применимость стратегии к существенно большим квантовым системам. Следующий целевой объект — двумерные квантовые системы. «Это особенно важно, поскольку классические расчёты для таких систем становятся значительно сложнее по мере роста числа частиц», — объясняет пионер квантовых вычислений Питер Цоллер. «Сложность независимой верификации результатов при этом возрастает, делая вопрос экспериментально определяемых границ погрешности ещё более актуальным.»

Количественная оценка квантового преимущества

В настоящее время исследователи адаптируют метод для новейшего поколения двумерных квантовых симуляторов, обладающих повышенной точностью и способных работать с большим числом частиц.

В перспективе подход может обеспечить количественную меру квантового преимущества. Вместо оценки квантового симулятора исключительно по скорости или размеру задачи, которую он решает быстрее классического компьютера, теперь можно будет сравнивать надёжность решения одной и той же задачи обеими системами. «Ведь когда классический компьютер и квантовый симулятор решают одну и ту же задачу, речь идёт не только о том, какой из них даёт результат быстрее. Не менее важным является вопрос, какой из них решает задачу с меньшей, поддающейся независимой количественной верификации погрешностью», — подчёркивает Цоллер.

Это может изменить критерии оценки квантовой симуляции в будущем: производительность будет определяться не только размером системы или скоростью расчёта, но и возможностью решения сложной задачи с точно измеряемой и верифицируемой точностью.

Ссылка на публикацию: «Bounded-Error Quantum Simulation via Hamiltonian and Lindbladian Learning» Тристана Крафта, Маноя К. Джоши, Уильяма Т. Лама, Тобиаса Олзахера, Флориана Кранцля, Йоханнеса Франке, Латы Х. Джоши, Райнера Блатта, Аугусто Смерци, Даниэля Штильк Франса, Бенуа Вермерша, Барбары Краус, Кристиана Ф. Рууса и Петера Цоллера, 13 августа 2026 г., Physical Review X. DOI: 10.1103/s96t-n8tx.

Исследование получило финансирование от Австрийского научного фонда (FWF), Немецкого министерства исследований, технологий и космоса, Европейского союза и BMW, среди прочих организаций.