Квантовый скалолаз: прыжки через ущелья оптимизации ✛ ✎

Оригинал: "Combinatorial optimization enhanced by shallow quantum circuits with 104 superconducting qubits"
arXiv:2509.11535 · 2025-09-15 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Гибридный алгоритм Qjump на 104 сверхпроводящих кубитах находит лучшие решения сложных оптимизационных задач, чем классический имитационный отжиг.

Три тысячи метров над уровнем моря, отвесная стена. Классический скалолаз карабкается по одному маршруту, шаг за шагом, и часто застревает в локальном минимуме — небольшой нише, из которой нет хода вверх. Квантовый скалолаз действует иначе: он способен перепрыгнуть через ущелье и приземлиться в соседнем бассейне энергии, где маршрут лучше.

Энергетический ландшафт — это график энергии всех возможных конфигураций системы. Для задачи оптимизации каждая точка ландшафта соответствует решению, а высота — его качеству. NP-трудные задачи, такие как поиск основного состояния модели Изинга, имеют изрезанный ландшафт с множеством локальных минимумов. Классические эвристики, например имитационный отжиг, имитируют охлаждение металла: система медленно остывает, стремясь к минимуму энергии, но часто застревает в неглубоких ямах.

Для отбора сложных экземпляров задачи учёные сгенерировали 4000 случайных конфигураций связей и полей, а затем оставили только 20, на которых классический имитационный отжиг работал хуже всего. Это гарантирует, что сравнение было честным: квантовый алгоритм испытывался на самых трудных случаях.

Алгоритм Qjump работает итеративно. Имея текущее решение — битовую строку, — квантовая схема генерирует множество кандидатов, «перепрыгивая» в соседние энергетические бассейны. Схема состоит из слоя кодирования, нескольких слоёв операторов стоимости и смешивания, вдохновлённых QAOA, и измерений. Параметры схемы не оптимизируются вариационно, а берутся из предварительно рассчитанных значений для глубокого QAOA, что исключает проблему бесплодных плато. После квантового сэмплирования классический компьютер выполняет локальный поиск — жадный спуск — для каждого кандидата и выбирает лучшее решение.

Эксперименты проводились на 104-кубитном сверхпроводящем процессоре с медианной точностью двухкубитных гейтов 99,5%. На 20 отобранных сложных экземплярах Qjump в среднем находил глобальный минимум в 2,23 раза чаще, чем имитационный отжиг, за фиксированное время. При экстраполяции на будущее оборудование с частотой сэмплирования 0,4 МГц и быстрым управлением через FPGA оценка времени до решения показала ускорение в 2,34 раза. Для меньших систем преимущество было меньше: 0,98 раза для 60 кубитов и 1,56 раза для 84 кубитов. Это указывает на улучшение с ростом размера задачи. QAOA с локальным поиском оказался почти неэффективным для этих задач.

Qjump показал, что гибридные схемы — где квантовый процессор используется только для «прыжков» по ландшафту, а классический компьютер для точной оптимизации — могут быть практичным путём к квантовому преимуществу на шумных промежуточных квантовых устройствах. Раньше было неясно, могут ли такие устройства без коррекции ошибок превзойти классические эвристики. Теперь есть конкретный механизм разделения труда, снижающий требования к глубине схем и качеству кубитов. Это расширяет применимость существующих квантовых процессоров для задач оптимизации уже сегодня: логистика, планирование, финансы.

Квантовый скалолаз не заменяет классического. Он лишь перепрыгивает через ущелья, а классический спуск доводит решение до совершенства. Вместе они взбираются туда, куда поодиночке не добраться.

Для отбора сложных экземпляров задачи учёные сгенерировали 4000 случайных конфигураций связей и полей, а затем оставили только 20, на которых классический имитационный отжиг работал хуже всего. Это гарантирует, что сравнение было честным: квантовый алгоритм испытывался на самых трудных случаях.

Учёные
David DeutschErwin SchrödingerJohn Stewart BellLouis de BroglieLov GroverPaul Benioff
Понятия
оптимизация ресурсов квантовых вычислений гибридный алгоритм квантовый алгоритм гибридный подход сложность скейлинг задача оптимизации медицина вычислительный метод вычислительная стоимость классический предел память параллельная обработка сверхпроводящий кубит открытие лекарств от рака полуклассический классический компьютер полупроводниковые кубиты центр обработки данных суперкомпьютер